A investigação sobre baterias de iões de sódio visa reduzir a dependência de elementos raros e cortar custos, melhorando o desempenho da bateria para aplicações mais amplas. No entanto, o carregamento rápido introduz tensões mecânicas que comprometem a integridade estrutural e a longevidade da bateria.
Simulações de microestruturas demonstram um impacto significativo da deformação elástica nas características de carga de óxidos em camadas empregados como cátodos em baterias de íons de sódio.
A pesquisa está focada em melhorar o desempenho, a longevidade e a acessibilidade de novos materiais de bateria. Também estão sendo feitos esforços para diminuir o uso de elementos escassos e tóxicos como o lítio e o cobalto. Neste contexto, as baterias de iões de sódio surgem como uma alternativa promissora. Funcionam com base em princípios semelhantes aos das baterias de iões de lítio, mas são fabricados a partir de matérias-primas facilmente disponíveis na Europa.
E são adequados para aplicações estacionárias e móveis. “Óxidos em camadas, como óxidos de sódio-níquel-manganês, são materiais catódicos altamente promissores”, diz o Dr. Simon Daubner, líder de grupo do Instituto de Materiais Aplicados – Modelagem e Simulação de Microestrutura (IAM-MMS) do KIT e autor correspondente de o estudo. Dentro do Cluster de Excelência POLiS (significa Post Lithium Storage), ele investiga a tecnologia de íons de sódio.
Carregamento rápido cria estresse mecânico
No entanto, os materiais catódicos deste tipo apresentam um problema. Os óxidos de sódio-níquel-manganês mudam sua estrutura cristalina dependendo da quantidade de sódio armazenada. Se o material for carregado lentamente, tudo ocorre de forma bem ordenada. “O sódio sai do material camada por camada, assim como os carros saem de um estacionamento, andar por andar”, explica Daubner. “Mas quando o carregamento é rápido, o sódio é extraído de todos os lados.” Isso resulta em estresse mecânico que pode danificar o material permanentemente.
Seção de uma camada catódica (cerca de 100 micrômetros, esquerda) constituída por partículas esféricas (com cerca de dez micrômetros de diâmetro, centro) e simulação (direita) da fração de sódio em um cristal de óxido de sódio-níquel-manganês. Crédito: Simon Daubner, KIT
Pesquisadores do Instituto de Nanotecnologia (INT) e IAM-MMS do KIT, juntamente com cientistas da Universidade de Ulm e do Centro de Pesquisa em Energia Solar e Hidrogênio Baden-Württemberg (ZSW), realizaram recentemente simulações para esclarecer a situação. Eles relatam em Materiais Computacionais npjum jornal do Natureza portfólio.
Experimentos confirmam resultados de simulação
“Os modelos de computador podem descrever várias escalas de comprimento, desde o arranjo dos átomos nos materiais dos eletrodos até sua microestrutura e a célula como unidade funcional de qualquer bateria”, diz Daubner. Para estudar o óxido em camadas NaXNi1/3Mn2/3O2, modelos microestruturados foram combinados com experimentos de carga e descarga lenta. Descobriu-se que o material exibe vários mecanismos de degradação causando perda de capacidade. Por esta razão, ainda não é adequado para aplicações comerciais. Uma mudança na estrutura cristalina resulta em uma deformação elástica. O cristal encolhe, o que pode causar rachaduras e redução de capacidade. Simulações INT e IAM-MMS mostram que esta influência mecânica determina decisivamente o tempo necessário para carregar o material. Estudos experimentais na ZSW confirmam estes resultados.
As descobertas do estudo podem ser parcialmente transferidas para outros óxidos em camadas. “Agora entendemos os processos básicos e podemos trabalhar no desenvolvimento de materiais de bateria que durem muito e possam ser carregados o mais rápido possível”, resume Daubner. Isto poderia levar ao uso generalizado de baterias de íon de sódio dentro de cinco a dez anos.
Referência: “Estudo combinado de transições de fase no material catódico NaXNi1/3Mn2/3O2 do tipo P2: resultados experimentais, ab-initio e de campo multifásico” por Simon Daubner, Manuel Dillenz, Lukas Fridolin Pfeiffer, Cornelius Gauckler, Maxim Rosin, Nora Burgard, Jan Martin, Peter Axmann, Mohsen Sotoudeh, Axel Groß, Daniel Schneider e Britta Nestler, 18 de abril de 2024, Materiais Computacionais npj.
DOI: 10.1038/s41524-024-01258-x
