Os pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) têm um longo histórico de descobertas pioneiras no campo das baterias de íon-lítio. Muitos desses resultados dizem respeito ao cátodo da bateria, chamado NMC, óxido de níquel-manganês e cobalto. Uma bateria com esse cátodo atualmente equipa o Chevrolet Bolt.
Pesquisadores do Argonne alcançaram mais um avanço em cátodos NMC. A nova estrutura de partículas de cátodo, minúsculas, desenvolvida pela equipe, pode tornar a bateria mais durável e segura, capaz de operar em voltagens muito altas e proporcionar maior autonomia.
“Agora temos orientações que os fabricantes de baterias podem usar para produzir materiais catódicos de alta pressão e sem bordas”, disse Khalil Amin, pesquisador emérito do Argonne Research Center.
“Os cátodos NMC existentes representam um grande obstáculo para o trabalho com alta tensão”, disse o químico assistente Guiliang Xu. Com os ciclos de carga e descarga, o desempenho cai rapidamente devido à formação de rachaduras nas partículas do cátodo. Há décadas, pesquisadores de baterias buscam maneiras de reparar essas rachaduras.
Um método anterior utilizava minúsculas partículas esféricas compostas por muitas partículas ainda menores. Partículas esféricas grandes são policristalinas, com domínios cristalinos de diversas orientações. Como resultado, elas apresentam o que os cientistas chamam de limites de grão entre as partículas, o que pode causar rachaduras na bateria durante um ciclo. Para evitar isso, Xu e seus colegas do Argonne desenvolveram anteriormente um revestimento polimérico protetor ao redor de cada partícula. Esse revestimento envolve as partículas esféricas grandes e as partículas menores em seu interior.
Outra forma de evitar esse tipo de fissura é usar partículas monocristalinas. A microscopia eletrônica dessas partículas mostrou que elas não possuem limites.
O problema para a equipe era que os cátodos feitos de policristais revestidos e monocristais ainda rachavam durante os ciclos de carga e descarga. Portanto, eles realizaram uma análise extensiva desses materiais catódicos na Advanced Photon Source (APS) e no Center for Nanomaterials (CNM) do Argonne Science Center, do Departamento de Energia dos EUA.
Diversas análises de raios X foram realizadas em cinco braços do APS (11-BM, 20-BM, 2-ID-D, 11-ID-C e 34-ID-E). Descobriu-se que o que os cientistas pensavam ser um monocristal, conforme demonstrado por microscopia eletrônica e de raios X, na verdade possuía uma interface interna. Microscopia eletrônica de varredura e de transmissão de CNMs confirmou essa conclusão.
“Quando analisamos a morfologia da superfície dessas partículas, elas pareciam cristais únicos”, disse o físico Wenjun Liu. â�<“但是，当我们在APS 使用一种称为同步加速器X射线衍射显微镜的技术和其他技术时，我们发现边界隐藏在内部。” â� <“但是 ， 当 在 在 使用 使用 种 称为 同步 加速器 x 射线 显微镜 的 技术 和 其他 时 ，我们 发现 边界 隐藏 在。”“No entanto, quando usamos uma técnica chamada microscopia de difração de raios X de sincrotron e outras técnicas no APS, descobrimos que os limites estavam escondidos no interior.”
É importante destacar que a equipe desenvolveu um método para produzir monocristais sem limites. Testes em pequenas células com esse cátodo de monocristal em tensões muito altas mostraram um aumento de 25% no armazenamento de energia por unidade de volume, praticamente sem perda de desempenho ao longo de 100 ciclos de teste. Em contraste, cátodos NMC compostos por monocristais com múltiplas interfaces ou policristais revestidos apresentaram uma queda de capacidade de 60% a 88% durante o mesmo período.
Cálculos em escala atômica revelam o mecanismo de redução da capacitância do cátodo. De acordo com Maria Chang, nanocientista do CNM, as regiões de contato são mais propensas a perder átomos de oxigênio durante o carregamento da bateria do que as áreas mais distantes delas. Essa perda de oxigênio leva à degradação do ciclo da célula.
“Nossos cálculos mostram como o limite pode levar à liberação de oxigênio em alta pressão, o que pode resultar em desempenho reduzido”, disse Chan.
A eliminação da barreira impede a evolução de oxigênio, melhorando assim a segurança e a estabilidade cíclica do cátodo. Medições da evolução de oxigênio com o APS e uma fonte de luz avançada no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA confirmam essa conclusão.
“Agora temos diretrizes que os fabricantes de baterias podem usar para produzir materiais catódicos sem limites e que operam em alta pressão”, disse Khalil Amin, membro emérito do Argonne Research Institute. â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料。” â�<“该指南应适用于NMC 以外的其他正极材料。”“As diretrizes devem ser aplicadas a materiais catódicos que não sejam NMC.”
Um artigo sobre este estudo foi publicado na revista Nature Energy. Além de Xu, Amin, Liu e Chang, os autores de Argonne são Xiang Liu, Venkata Surya Chaitanya Kolluru, Chen Zhao, Xinwei Zhou, Yuzi Liu, Liang Ying, Amin Daali, Yang Ren, Wenqian Xu, Junjing Deng, Inhui Hwang, Chengjun Sun, Tao Zhou, Ming Du e Zonghai Chen. Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Wanli Yang, Qingtian Li e Zengqing Zhuo), da Universidade de Xiamen (Jing-Jing Fan, Ling Huang e Shi-Gang Sun) e da Universidade de Tsinghua (Dongsheng Ren, Xuning Feng e Mingao Ouyang).
Sobre o Centro de Nanomateriais de Argonne: O Centro de Nanomateriais, um dos cinco centros de pesquisa em nanotecnologia do Departamento de Energia dos EUA, é a principal instituição nacional para pesquisa interdisciplinar em nanoescala, apoiada pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA. Juntos, os Centros Nacionais de Pesquisa em Nanotecnologia (NSRCs) formam um conjunto de instalações complementares que fornecem aos pesquisadores recursos de ponta para fabricação, processamento, caracterização e modelagem de materiais em nanoescala e representam o maior investimento em infraestrutura no âmbito da Iniciativa Nacional de Nanotecnologia. O NSRC está localizado nos Laboratórios Nacionais do Departamento de Energia dos EUA em Argonne, Brookhaven, Lawrence Berkeley, Oak Ridge, Sandia e Los Alamos. Para mais informações sobre o NSRC do Departamento de Energia, visite https://science.osti.gov/User-Facilities/User-Facilities-at-a-Glance.
A Fonte Avançada de Fótons (APS, na sigla em inglês) do Departamento de Energia dos EUA, localizada no Laboratório Nacional de Argonne, é uma das fontes de raios X mais produtivas do mundo. A APS fornece raios X de alta intensidade para uma comunidade de pesquisa diversificada nas áreas de ciência dos materiais, química, física da matéria condensada, ciências da vida e do meio ambiente, e pesquisa aplicada. Esses raios X são ideais para o estudo de materiais e estruturas biológicas, a distribuição de elementos, estados químicos, magnéticos e eletrônicos, e sistemas de engenharia de todos os tipos, de baterias a bicos injetores de combustível, que são vitais para nossa economia nacional, tecnologia e para a base da saúde. A cada ano, mais de 5.000 pesquisadores utilizam a APS para publicar mais de 2.000 artigos científicos, detalhando descobertas importantes e solucionando mais estruturas de proteínas biológicas relevantes do que qualquer outro centro de pesquisa de raios X. Os cientistas e engenheiros da APS estão implementando tecnologias inovadoras que servem de base para aprimorar o desempenho de aceleradores e fontes de luz. Isso inclui dispositivos de entrada que produzem raios X extremamente brilhantes, muito valorizados pelos pesquisadores, lentes que focalizam os raios X em poucos nanômetros, instrumentos que maximizam a interação dos raios X com a amostra em estudo, além da coleta e gerenciamento das descobertas do APS. A pesquisa gera enormes volumes de dados.
Este estudo utilizou recursos do Advanced Photon Source, um Centro de Usuários do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA, operado pelo Argonne National Laboratory para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA sob o número de contrato DE-AC02-06CH11357.
O Laboratório Nacional de Argonne se dedica a solucionar os problemas mais urgentes da ciência e tecnologia nacionais. Como o primeiro laboratório nacional dos Estados Unidos, o Argonne realiza pesquisas básicas e aplicadas de ponta em praticamente todas as disciplinas científicas. Os pesquisadores do Argonne trabalham em estreita colaboração com pesquisadores de centenas de empresas, universidades e agências federais, estaduais e municipais para ajudá-los a resolver problemas específicos, promover a liderança científica dos EUA e preparar o país para um futuro melhor. O Argonne emprega funcionários de mais de 60 países e é administrado pela UChicago Argonne, LLC, do Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.
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