Uma nova abordagem para criar baterias com carregamento rápido

Nos últimos anos, engenheiros e cientistas de materiais têm tentado criar tecnologias de bateria cada vez mais avançadas que carreguem mais rápido, durem mais e possam armazenar mais energia. Essas baterias desempenharão um papel crucial no avanço dos setores de eletrônicos e energia, alimentando a ampla gama de dispositivos portáteis no mercado, bem como veículos elétricos.

As baterias de íon de lítio (LiBs) são atualmente as baterias mais difundidas em todo o mundo, alimentando a maioria dos eletrônicos que usamos todos os dias. Identificar métodos escaláveis para aumentar a velocidade com que essas baterias carregam é, portanto, um dos objetivos principais no campo de energia, pois isso não exigiria a mudança para composições totalmente novas de bateria.

Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Huazhong, na China, introduziram recentemente uma nova estratégia para desenvolver LiBs de carregamento rápido contendo um material à base de grafite. Seu design de bateria proposto, detalhado em um artigo publicado na Nature Energy, foi desenvolvido para acelerar com sucesso o tempo de carregamento das LiBs, permitindo que elas mantenham grande parte de sua capacidade mesmo após serem carregadas milhares de vezes.

“A dessolvatação de Li+ em eletrólitos e a difusão na interface de eletrólito sólido (SEI) são dois passos determinantes que restringem o carregamento rápido de baterias de íon de lítio à base de grafite”, escreveram Shuibin Tu, Bao Zhang e seus colegas em seu artigo.

“Mostramos que a estrutura de dessolvatação de Li+ com baixa coordenação de solvente pode ser induzida perto do Plano de Helmholtz interno (IHP) em espécies inorgânicas. Especificamente, Li3P pode facilitar uma barreira de dessolvatação de Li+ mais baixa e uma capacidade de difusão mais rápida de Li+ através da SEI em comparação com os componentes regulares da SEI.”

Essencialmente, os pesquisadores realizaram uma série de testes para avaliar como vários componentes da interface eletrolítica sólida (SEI) afetam a chamada estrutura de dessolvatação de Li+, o que, por sua vez, poderia diminuir o tempo necessário para carregar uma bateria. Em última análise, identificaram uma combinação de materiais que poderiam aprimorar a eficiência do chamado processo de dessolvatação de Li+, permitindo a migração rápida de íons Li+ através da SEI.

A equipe identificou então um ânodo promissor baseado em um material chamado grafite P-S, que consiste em uma camada ultrafina de fósforo sobre uma superfície de grafite. Eles fabricaram esses ânodos e os integraram em células de LiB, para então avaliar seu desempenho experimentalmente.

“Construímos uma camada ultrafina de fósforo ligado a enxofre em uma superfície de grafite, que se converte no local em uma SEI baseada em Li3P cristalina com alta condutividade iônica”, escreveram Tu, Zhang e seus colegas. “Nossas células de bolsa com tal ânodo de grafite mostraram 10 minutos e 6 minutos (6C e 10C) de carregamento para 91,2% e 80% da capacidade, respectivamente, além de uma retenção de capacidade de 82,9% por mais de 2.000 ciclos a uma taxa de carregamento de 6C.”

Em geral, o artigo de Tu, Zhang e seus colegas destaca o papel-chave dos componentes da SEI e das considerações estruturais na influência da velocidade de carga das células LiB. No futuro, sua abordagem proposta e seus resultados experimentais promissores podem contribuir para o desenvolvimento de LiBs cada vez mais rápidas e duráveis, atendendo às demandas urgentes da indústria de eletrônicos.

“Nosso trabalho destaca a importância da química de interfaces para a estrutura de dessolvatação de Li+ e a formação da SEI e pode servir como um guia para o design de componentes eficazes da SEI para baterias de íon de lítio de carregamento rápido”, concluem os pesquisadores em seu artigo.

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Publicado no TechXplore