A investigação do Laboratório Nacional de Argonne sobre “soft-shorts” em baterias de estado sólido oferece informações e ferramentas vitais para melhorar a confiabilidade e o design de baterias de veículos elétricos, marcando um avanço significativo na pesquisa de baterias. Crédito: SciTechDaily.com
Pesquisadores da Argonne conduziram um estudo abrangente sobre shorts macios, um fenômeno que é um passo inicial em direção à falha permanente de uma bateria.
Uma equipe de Argonne que desenvolvia materiais para baterias de estado sólido fez um desvio inesperado para investigar pequenos curtos-circuitos conhecidos como soft-shorts. Seus insights beneficiarão pesquisadores de baterias em todo o mundo.
Pesquisadores do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) lançaram uma nova luz importante sobre como são os primeiros sinais de falha da bateria. O seu estudo – que se relaciona com uma condição chamada soft-shorts – fornece à comunidade científica conhecimentos e métodos valiosos para projetar melhores baterias de veículos elétricos (EV).
A pesquisa da equipe de Argonne se concentrou em baterias totalmente sólidas com ânodos (eletrodos negativos) feitos de metal de lítio. Muitos veem esses dispositivos como o “Santo Graal” das tecnologias de baterias. Por que? Porque o metal de lítio pode armazenar uma grande quantidade de carga em um espaço pequeno. Isso significa que pode permitir autonomias de condução de veículos elétricos muito mais longas do que as tradicionais baterias de íons de lítio feitas com ânodos de grafite.
No entanto, o lítio metálico apresenta desafios operacionais porque pode ser altamente reativo com os eletrólitos líquidos das baterias tradicionais. Eletrólitos são materiais que movem partículas carregadas conhecidas como íons entre os dois eletrodos de uma bateria, convertendo a energia armazenada em eletricidade.
À medida que uma bateria funcionando normalmente descarrega, os íons fluem do ânodo através do eletrólito para o cátodo (eletrodo positivo). Ao mesmo tempo, os elétrons fluem do ânodo para um dispositivo externo – como um telefone ou motor EV – e depois retornam ao cátodo. O fluxo de elétrons é o que alimenta o dispositivo. Quando uma bateria está carregando, esses fluxos são invertidos.
O uso do lítio metálico tende a atrapalhar esse processo. Durante o carregamento, os filamentos de lítio podem crescer no ânodo e penetrar no eletrólito. Se esses crescimentos se tornarem grandes o suficiente e se estenderem até o cátodo, eles criarão um “fio” permanente entre os eletrodos. Eventualmente, todos os elétrons da bateria fluem através deste fio de um eletrodo para outro sem sair da bateria para alimentar um dispositivo. Este processo também interrompe o fluxo de íons entre os eletrodos.
“Isso é chamado de curto-circuito interno”, disse Michael Counihan, nomeado para pós-doutorado em Argonne e pesquisador principal da equipe. “A bateria falhou e os elétrons não estão mais alimentando o seu dispositivo.
Colocar ânodos metálicos de lítio em baterias de estado sólido – em outras palavras, baterias com eletrólitos sólidos – pode reduzir potencialmente os desafios relacionados ao filamento, ao mesmo tempo que mantém os benefícios do lítio.
Um desvio inesperado para shorts macios
A equipe de Argonne estava desenvolvendo um novo eletrólito sólido para baterias EV e percebeu um comportamento incomum.
“Quando operamos nossas baterias no laboratório, observamos flutuações de tensão muito pequenas e breves”, disse Counihan. “Decidimos dar uma olhada mais profunda.”
Os pesquisadores carregaram e descarregaram repetidamente suas baterias durante centenas de horas, medindo vários parâmetros elétricos, como a voltagem. A equipe determinou que as baterias estavam passando por curtos-circuitos, que são curtos-circuitos minúsculos e temporários.
Com um soft-short, os filamentos de lítio crescem do ânodo para o cátodo. Mas a quantidade de crescimento é menor do que num curto-circuito permanente. Enquanto alguns elétrons permanecem dentro da bateria, outros podem fluir para um dispositivo externo. O fluxo de íons entre os eletrodos pode continuar. Todos esses fluxos podem variar amplamente.
A equipe trabalhou com especialistas computacionais da Argonne para desenvolver modelos que prevêem a quantidade de fluxos de íons e elétrons durante soft-shorts. Os modelos levam em conta fatores como o tamanho dos filamentos de lítio e as propriedades do eletrólito.
As baterias com shorts flexíveis podem continuar operando por horas, dias ou até semanas. Mas, como a equipe de Argonne descobriu, os filamentos geralmente aumentam em número com o tempo e, em última análise, levam à falha da bateria.
“Os shorts macios são o primeiro passo para a falha permanente da bateria”, disse Counihan.
Comportamento dinâmico
Um exame mais aprofundado da equipe revelou que os soft-shorts têm um comportamento muito dinâmico. Freqüentemente, eles se formam, desaparecem e se reformam em apenas microssegundos ou milissegundos.
“Esta é uma conclusão importante para os pesquisadores de baterias”, disse Counihan. “Com testes típicos de bateria em laboratório, os pesquisadores só podem medir a tensão a cada minuto ou mais. Durante esse tempo, você poderia ter perdido a formação e a morte de milhares de soft-shorts. Eles são como pequenos fantasmas que estão destruindo sua bateria sem você saber.”
A razão mais comum para o desaparecimento dos shorts macios: calor. Quando os elétrons fluem através dos filamentos de lítio, é gerado calor – semelhante ao aquecimento que pode ocorrer em fios de eletrodomésticos. O calor pode derreter rapidamente os filamentos, principalmente se o eletrólito circundante for termicamente isolante.
Os shorts macios podem se dissolver quando os filamentos reagem com certos eletrólitos. Alguns dos eletrólitos sólidos investigados pela equipe de Argonne podem cortar pequenos filamentos antes de chegarem ao cátodo e causar um curto-circuito interno.
Ajudando a comunidade de pesquisa
Durante o seu extenso exame dos soft-shorts, a equipe de Argonne desenvolveu e demonstrou vários novos métodos para detectar e analisar o fenômeno. Por exemplo, um método quantifica o quanto os soft-shorts contribuem para a resistência de uma bateria ao fluxo de corrente. Como diferentes componentes da bateria podem contribuir para esta resistência, isolar a contribuição dos soft-shorts pode ajudar os investigadores a avaliar melhor a saúde das suas baterias.
O estudo, publicado recentemente na revista Joule, inclui uma lista de quase 20 técnicas de detecção e análise. Cerca de um terço desses métodos vem de pesquisas recentes da equipe. Os autores do estudo reuniram os outros métodos a partir de conhecimentos informais e inéditos na comunidade de pesquisa.
“Percebemos que não há artigos na literatura que utilizem mais de duas dessas técnicas”, disse Counihan. “Para tornar a lista mais útil aos pesquisadores, incluímos informações sobre as vantagens e desvantagens de cada método. Como os soft-shorts são tão dinâmicos, é bom que os pesquisadores tenham muitas ferramentas disponíveis para compreender melhor os impactos dos soft-shorts.”
A equipe queria fornecer aos pesquisadores de todo o mundo insights sobre soft-shorts para informar seu trabalho. Por exemplo, as técnicas apresentadas no artigo podem ajudar a avançar no projeto de eletrólitos sólidos e duros que impedem o crescimento de filamentos de lítio.
“Quando os pesquisadores entendem a dinâmica dos soft-shorts em suas baterias, eles ficam mais bem equipados para refinar seus materiais e evitar esses caminhos de falha”, disse Counihan.
Referência: “A ameaça fantasma dos shorts macios dinâmicos na pesquisa de baterias de estado sólido” por Michael J. Counihan, Kanchan S. Chavan, Pallab Barai, Devon J. Powers, Yuepeng Zhang, Venkat Srinivasan e Sanja Tepavcevic, 6 de dezembro de 2023, Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2023.11.007
A equipe produziu seus eletrólitos de bateria sólida no Centro de Pesquisa de Engenharia de Materiais de Argonne e avaliou os materiais no Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne, uma instalação de usuários do DOE Office of Science. Além de Counihan, os outros autores do estudo foram Kanchan Chavan, Pallab Barai, Devon Powers, Yuepeng Zhang, Venkat Srinivasan e Sanja Tepavcevic. O estudo foi financiado pelo Escritório de Tecnologias de Veículos do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE.
