Um novo tipo de ânodo baseado em chumbo será usado na próxima geração de baterias de lítio

As baterias de íon de lítio fornecem energia para todos os dispositivos, desde smartphones a laptops e veículos elétricos. Cientistas de todo o mundo têm procurado componentes novos e melhorados para fabricar baterias melhores para estas e outras aplicações.

Cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) relataram um novo eletrodo projetado para baterias de íon-lítio usando materiais de baixo custo, como chumbo e carbono. Os contribuintes para esta importante descoberta também incluem cientistas da Northwestern University, do Laboratório Nacional de Brookhaven e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST).

Eungje Lee, autor principal e cientista de materiais de ciência e engenharia química (CSE) da Universidade de Argonne, afirmou: "Nossa pesquisa tem implicações interessantes para o projeto de baterias de íons de lítio sustentáveis, de baixo custo e alto desempenho, que podem fornecer energia para sistemas híbridos. e todos os veículos elétricos.".

O princípio de funcionamento das baterias de íon de lítio é inserir íons de lítio no ânodo durante o carregamento e removê-los durante a descarga. O atual ânodo de grafite pode passar por milhares de ciclos de descarga de carga, mas parece ter atingido seu limite em termos de capacidade de armazenamento de energia.

Lee disse: "Decidimos estudar o chumbo como substituto do grafite como material anódico. O chumbo é particularmente atraente porque é barato e barato. Além disso, devido à longa história de baterias de chumbo-ácido que fornecem energia auxiliar para carros , possui uma cadeia de suprimentos completa e é um dos materiais mais reciclados do mundo. Nos Estados Unidos, a taxa atual de recuperação de chumbo é de 99%.".

Li acrescentou: "Nosso novo ânodo pode fornecer uma nova fonte de receita para a grande indústria atualmente envolvida na fabricação e reciclagem de baterias de chumbo-ácido".

O ânodo da equipe não é uma placa de chumbo comum, mas inúmeras partículas microscópicas com estruturas complexas: nanopartículas de chumbo incorporadas em uma matriz de carbono e rodeadas por uma fina camada de óxido de chumbo. Embora esta estrutura pareça complexa, a equipe inventou um método de fabricação simples e de baixo custo.

"Nosso método envolve misturar grandes partículas de óxido de chumbo com pó de carbono e oscilar por várias horas até que partículas microscópicas com a estrutura núcleo-invólucro desejada sejam formadas", explicou Christopher Johnson, pesquisador principal do projeto e pesquisador destacado em Argonne, CSE.

Testes realizados em baterias de laboratório com mais de 100 ciclos de carga e descarga mostraram que a capacidade de armazenamento de energia do novo ânodo nanocompósito à base de chumbo é duas vezes maior que a do atual ânodo de grafite (padronizado para o mesmo peso). É possível um desempenho estável durante o processo de ciclagem, pois partículas pequenas podem aliviar o estresse, enquanto a matriz de carbono fornece a condutividade necessária e atua como um amortecedor para evitar danos à expansão do volume durante o processo de ciclagem. A equipe de pesquisa também descobriu que adicionar uma pequena quantidade de carbonato de fluoroetila ao eletrólito padrão melhora significativamente o desempenho.

Os pesquisadores estudaram os mecanismos de carga e descarga do ânodo no GeoSoilEnviro Advanced Radiation Source Center (GSECARS) operado pela Universidade de Chicago, localizado em Argona, o DOE Science User Facility Office. Através da difração de raios X síncrotron, eles são capazes de rastrear a transição de fase de materiais de eletrodos negativos durante a carga e descarga. Esses resultados de caracterização, combinados com os resultados coletados pelo Centro de Caracterização Atômica e em Nanoescala da Northwestern University e pela DOE User Facility National Synchrotron Light Source II em Brookhaven, revelam as reações eletroquímicas que ocorrem entre íons de chumbo e lítio durante a carga e descarga, que foram anteriormente desconhecido.

Lee disse: "Esta visão fundamental pode ser importante para a compreensão do mecanismo de reação entre os ânodos de chumbo e de silício."

O ânodo de silício é outra opção de baixo custo e alto desempenho para a próxima geração de baterias de íons de lítio.

Johnson disse: "Nossa descoberta desafia a compreensão atual deste material de eletrodo." Nossa descoberta também oferece implicações interessantes para o projeto de materiais anódicos de baixo custo e alto desempenho para transporte e armazenamento fixo de energia, como fontes de energia de reserva para a rede elétrica. "

O artigo da equipe foi publicado no recentemente publicado Advanced Functional Materials.