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Os cientistas descobriram que a formação de “buracos de oxigênio” degrada significativamente os materiais catódicos ricos em Ni nas baterias de íon-lítio. Usando técnicas computacionais avançadas, eles identificaram um mecanismo para a perda de oxigênio, propondo dopantes para melhorar a estabilidade e longevidade da bateria.
Os cientistas fizeram um avanço significativo na compreensão e superação dos desafios associados aos materiais catódicos ricos em Ni usados em baterias de íon-lítio.
Embora esses materiais possam atingir altas tensões e capacidades, seu uso no mundo real tem sido limitado por problemas estruturais e esgotamento de oxigênio.
O estudo revelou que a formação de um “buraco de oxigênio” – onde um íon de oxigênio perde um elétron – desempenha um papel crucial na degradação do LiNiO2 cátodos acelerando a liberação de oxigênio que pode então degradar ainda mais o material do cátodo.
Usando um conjunto de técnicas computacionais de última geração em supercomputadores regionais do Reino Unido, os pesquisadores examinaram o comportamento do LiNiO2 cátodos à medida que são carregados. Eles descobriram que durante o carregamento o oxigênio no material sofre alterações enquanto a carga de níquel permanece essencialmente inalterada.
O coautor, Prof Andrew J. Morris, da Universidade de Birmingham, comentou: “Descobrimos que a carga dos íons de níquel permanece em torno de +2, independentemente de estar na forma carregada ou descarregada. Ao mesmo tempo, a carga do oxigênio varia de -1,5 a cerca de -1. Isto é incomum, o modelo convencional assume que o oxigênio permanece a -2 durante o carregamento, mas essas mudanças mostram que o oxigênio não é muito estável, e encontramos um caminho para ele sair do cátodo rico em níquel.”
Os pesquisadores compararam seus cálculos com dados experimentais e descobriram que seus resultados estavam bem alinhados com o que foi observado. Eles propuseram um mecanismo para a perda de oxigênio durante esse processo, envolvendo a combinação de radicais de oxigênio para formar um íon peróxido, que é então convertido em gás oxigênio, deixando vagas no material. Este processo libera energia e forma oxigênio singlete, uma forma altamente reativa de oxigênio.
“Potencialmente, ao adicionar dopantes que reduzem a redox do oxigênio, ao mesmo tempo que promovem a redox dos metais de transição, particularmente na superfície, mitigando a geração de oxigênio singlete, podemos aumentar a estabilidade e a longevidade desses tipos de baterias de íons de lítio, abrindo caminho para sistemas de armazenamento de energia mais eficientes e confiáveis”, acrescenta a primeira autora, Dra. Annalena Genreith-Schriever, da Universidade de Cambridge.
As baterias de íons de lítio são amplamente utilizadas para diversas aplicações devido à sua alta densidade de energia e capacidade de recarga, mas os desafios associados à estabilidade dos materiais catódicos têm prejudicado seu desempenho geral e vida útil.
Referência: “A formação de buracos de oxigênio controla a estabilidade em cátodos LiNiO2” por Annalena R. Genreith-Schriever, Hrishit Banerjee, Ashok S. Menon, Euan N. Bassey, Louis FJ Piper, Clare P. Gray e Andrew J. Morris, 19 de julho de 2023 , Joule.
DOI: 10.1016/j.joule.2023.06.017