Aprimoramentos na tecnologia de baterias de íons de lítio foram alcançados através da introdução de elementos abundantes no material do cátodo, melhorando a capacidade e a estabilidade energética e reduzindo o impacto ambiental, abrindo caminho para a comercialização futura. Crédito: Gráficos Científicos. Co., Ltd.
Os pesquisadores melhoraram significativamente o desempenho dos cátodos de óxido de ferro-lítio usados em baterias de íon-lítio, dopando-os com elementos abundantes como alumínio e silício.
O ciclo de carga-recarga de óxido de ferro superrico em lítio, um cátodo econômico e de alta capacidade para baterias de íon-lítio de nova geração, pode ser bastante melhorado pela dopagem com elementos minerais prontamente disponíveis.
A capacidade de energia e o ciclo de carga-recarga (ciclabilidade) do óxido de ferro-lítio, um material catódico econômico para baterias recarregáveis de íon-lítio, são melhorados pela adição de pequenas quantidades de elementos abundantes. O desenvolvimento, alcançado por pesquisadores da Universidade de Hokkaido, da Universidade de Tohoku e do Instituto de Tecnologia de Nagoya, é relatado na revista Cartas de Materiais ACS.
As baterias de íons de lítio tornaram-se indispensáveis na vida moderna, usadas em diversas aplicações, incluindo telefones celulares, veículos elétricos e grandes sistemas de armazenamento de energia. Um esforço constante de pesquisa está em andamento para aumentar sua capacidade, eficiência e sustentabilidade. Um grande desafio é reduzir a dependência de recursos raros e caros. Uma abordagem é usar materiais mais eficientes e sustentáveis para os cátodos da bateria, onde ocorrem os principais processos de troca de elétrons.
Desenvolvimentos e desafios de pesquisa
Os pesquisadores trabalharam para melhorar o desempenho dos cátodos baseados em um composto específico de óxido de ferro e lítio. Em 2023, eles relataram um material catódico promissor, Li5FeO4, que apresenta alta capacidade utilizando reações redox de ferro e oxigênio. No entanto, o seu desenvolvimento encontrou problemas associados à produção de oxigénio durante o ciclo de carga-recarga.
“Descobrimos agora que a ciclabilidade poderia ser significativamente melhorada dopando pequenas quantidades de elementos abundantemente disponíveis, como alumínio, silício, fósforo e enxofre, na estrutura cristalina do cátodo”, diz o professor associado Hiroaki Kobayashi do Departamento de Química da Faculdade de Ciência, Universidade de Hokkaido.
A retenção da capacidade do cátodo de óxido de ferro-lítio é melhorada de 50% para 90% quando dopado com elementos abundantemente disponíveis, como alumínio, silício, fósforo e enxofre. Crédito: Hiroaki Kobayashi
Um aspecto químico crucial do aprimoramento provou ser a formação de fortes ligações “covalentes” entre os átomos dopantes e de oxigênio dentro da estrutura. Essas ligações mantêm os átomos juntos quando os elétrons são compartilhados entre os átomos, em vez da interação ‘iônica’ entre íons carregados positivos e negativamente.
“A ligação covalente entre os átomos dopantes e de oxigênio torna a liberação problemática de oxigênio menos favorável energeticamente e, portanto, menos provável de ocorrer”, diz Kobayashi.
Os pesquisadores usaram análise de absorção de raios X e cálculos teóricos para explorar os detalhes das mudanças na estrutura do material do cátodo causadas pela introdução de diferentes elementos dopantes. Isto permitiu-lhes propor explicações teóricas para as melhorias que observaram. Eles também usaram análise eletroquímica para quantificar as melhorias na capacidade energética do cátodo, na estabilidade e no ciclo entre as fases de carga e descarga, mostrando um aumento na retenção de capacidade de 50% para 90%.
“Continuaremos a desenvolver estes novos conhecimentos, na esperança de dar uma contribuição significativa para os avanços na tecnologia de baterias que serão cruciais para que a energia eléctrica substitua amplamente o uso de combustíveis fósseis, conforme exigido pelos esforços globais para combater as alterações climáticas”, conclui Kobayashi. .
A próxima fase da investigação incluirá a exploração dos desafios e possibilidades na expansão dos métodos em tecnologia pronta para comercialização.
Referência: “Rumo a cátodos de bateria de íon-lítio de alta energia e econômicos: a formação de ligação covalente capacita redox de oxigênio no estado sólido em óxido de ferro rico em lítio do tipo antifluorita” por Hiroaki Kobayashi, Yuki Nakamura, Yumika Yokoyama, Itaru Honma e Masanobu Nakayama , 22 de abril de 2024, Cartas de Materiais ACS.
DOI: 10.1021/acsmaterialslett.4c00268
