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Pesquisadores da POSTECH, liderados pelo Professor Kyu-Young Park, desenvolveram uma nova tecnologia de síntese de cristal único para materiais de cátodo à base de níquel em baterias de veículos elétricos, demonstrando vida útil e durabilidade significativamente melhoradas. Seu trabalho, publicado em Materiais e Interfaces ACSdestaca a temperatura crítica necessária para sintetizar monocristais robustos, contribuindo para baterias mais duráveis e eficientes.
Pesquisadores da POSTECH avançaram na tecnologia de baterias para veículos elétricos ao desenvolver um método para sintetizar materiais duráveis de cátodo monocristalino, estendendo a vida útil e a eficiência da bateria.
Cristais únicos de alta temperatura poderiam permitir veículos elétricos capazes de viajar até um milhão de quilômetros?
Uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH), sob a liderança do Professor Kyu-Young Park do Instituto de Pós-Graduação em Tecnologia de Materiais Ferrosos e Ecológicos e do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, juntamente com o candidato a PhD Kyoung Eun Lee e a ex-aluna Yura Kim, fez um avanço significativo. Colaborando com o POSCO Holdings N.EX.T Hub, eles desenvolveram com sucesso uma tecnologia de síntese de cristal único que aumenta muito a longevidade dos materiais de cátodo usados em veículos elétricos.
Esta pesquisa foi publicada na edição online da Materiais e Interfaces ACSum periódico internacional na área de ciência dos materiais.
Baterias secundárias de lítio (Li), comumente usadas em veículos elétricos, armazenam energia convertendo energia elétrica em energia química e gerando eletricidade para liberar energia química em energia elétrica por meio do movimento de íons Li- entre um cátodo e um ânodo. Essas baterias secundárias usam principalmente materiais de cátodo de níquel (Ni) devido à sua alta capacidade de armazenamento de íons de lítio. Materiais tradicionais à base de níquel têm uma morfologia policristalina composta de muitos cristais minúsculos que podem sofrer degradação estrutural durante o carregamento e descarregamento, reduzindo significativamente sua vida útil.
Os benefícios dos materiais de cátodo monocristalino
Uma abordagem para abordar essa questão é produzir o material catódico em uma forma de “cristal único”. Criar materiais catódicos à base de níquel como partículas grandes únicas, ou “cristais únicos”, pode aumentar sua estabilidade estrutural e química e durabilidade. Sabe-se que materiais monocristais são sintetizados em altas temperaturas e se tornam rígidos. No entanto, o processo exato de endurecimento durante a síntese e as condições específicas sob as quais isso ocorre permanecem obscuros.
Esquema da evolução da microestrutura de materiais de cátodo de alto níquel com temperatura de síntese e uma estratégia para sintetizar monocristais em uma temperatura crítica. Crédito: POSTECH
Para melhorar a durabilidade dos materiais de cátodo de níquel para veículos elétricos, os pesquisadores se concentraram em identificar uma temperatura específica, chamada de “temperatura crítica”, na qual materiais monocristais de alta qualidade são sintetizados. Eles investigaram várias temperaturas de síntese para determinar as condições ideais para a formação de monocristais na síntese de um material de cátodo à base de níquel (N884). A equipe observou sistematicamente o impacto da temperatura na capacidade do material e no desempenho a longo prazo.
Os pesquisadores descobriram que materiais policristalinos convencionais sintetizados abaixo de uma certa temperatura crítica são propensos à degradação com uso prolongado em baterias secundárias. No entanto, quando sintetizados acima dessa temperatura crítica, monocristais de alta qualidade podem ser facilmente produzidos, levando a materiais com longevidade superior.
Isso se deve a um processo chamado “densificação”, que ocorre acima de uma certa temperatura crítica. Durante esse processo, o tamanho do grão interno do material aumenta e os espaços vazios dentro do material são densamente preenchidos. Os monocristais densificados são extremamente duros e resistentes à degradação por longos períodos, aumentando significativamente sua durabilidade. Com base nessas descobertas, a equipe confirmou que sintetizar monocristais acima da temperatura crítica é uma estratégia de design de material mais vantajosa. Eles também propuseram um método eficaz para sintetizar materiais monocristais de alta qualidade.
O professor Kyu-Young Park da POSTECH declarou: “Introduzimos uma nova estratégia de síntese para aumentar a durabilidade dos materiais de cátodo à base de níquel”. Ele acrescentou: “Continuaremos nossa pesquisa para tornar as baterias secundárias para veículos elétricos mais baratas, rápidas e duradouras”.
Referência: “Estudo comparativo de uma microestrutura acionada termicamente em um cátodo de alto níquel para baterias de íons de lítio: temperatura crítica de calcinação para design policristalino e monocristalino” por Kyoung Eun Lee, Yura Kim, Ju Seong Kim, Kyoung Sun Kim, Ki Joo Hong, Sang-Cheol Nam, Hyungsub Kim, Dongwook Lee e Kyu-Young Park, 29 de abril de 2024, Materiais e Interfaces Aplicados ACS.
DOI: 10.1021/acsami.4c00514
A pesquisa foi conduzida com apoio da POSCO Holdings e do Programa de Pesquisa Básica do Ministério da Ciência e TIC.