Pesquisa descobre relação entre perda de oxigênio e degradação de baterias

Pesquisa descobre relação entre perda de oxigênio e degradação de baterias

Por Gustavo Minari | Editado por Douglas Ciriaco | 27 de Junho de 2021 às 10h00
Reprodução/SLAC

Cientistas do National Accelerator Laboratory (SLAC), instituição gerida pela Universidade de Stanford, nos EUA, descobriram que a perda constante de oxigênio reduz a quantidade de energia que uma bateria convencional de íons de lítio pode armazenar, afetando diretamente o seu desempenho a longo prazo.

Os pesquisadores conseguiram mostrar como os buracos deixados pelos átomos de oxigênio que escapam durante os ciclos de recarga podem mudar a estrutura física e a química do eletrodo de forma prolongada e permanente, reduzindo a capacidade de armazenamento da bateria.

"Fomos capazes de medir um grau muito pequeno de oxigênio vazando, muito lentamente, ao longo de centenas de ciclos. O fato de ser tão lento também o torna difícil de detectar", explica o doutorando em ciência dos materiais de Stanford Peter Csernica, autor principal do estudo.

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Perda de oxigênio

Toda vez que os íons de lítio fluem para dentro e para fora do eletrodo da bateria durante o processo de carga de descarga, uma pequena quantidade de oxigênio vaza e isso diminui a voltagem da célula de energia. Com o passar do tempo, as perdas na capacidade de armazenamento podem chegar a 15%.

Durante os testes, os pesquisadores mediam esse vazamento indiretamente, observando como a perda de oxigênio modifica a composição química das partículas. Eles acompanharam todo o processo de deterioração, desde as menores nanopartículas até a espessura total de um eletrodo.

"A quantidade total de vazamento de oxigênio em mais de 500 ciclos de carga e descarga da bateria é de 6%. Não é um número tão pequeno, mas se você tentar medir a quantidade de oxigênio que sai durante cada ciclo, isso se equipara proporcionalmente a cerca de um centésimo de um por cento", afirma Csernica.

Perda de oxigênio durante ciclos de recarga (Imagem: Reprodução/SLAC)

Vazamento constante

Ao comparar os resultados dos testes com modelos de computador, os cientistas descobriram que uma rajada inicial de oxigênio escapa da superfície das partículas e, logo em seguida, ocorre um "gotejamento" mais lento. Com isso, os aglomerados de nanopartículas mais próximos do centro perdem menos oxigênio do que aqueles que estão perto da superfície.

Como esse fenômeno é difícil de ser visualizado, eles compararam os resultados com outros tipos e observações experimentais em cenários diferentes de perda de oxigênio. Os dados mostraram que os buracos provocados pela saída de ar contribuem para o declínio gradual das baterias de íons de lítio.

Queda na capacidade de armazenamento com a perda de oxigênio (Imagem: Reprodução/SLAC)

"Quando o oxigênio sai, os átomos de manganês, níquel e cobalto ao redor migram. Todos os átomos estão dançando fora de suas posições ideais. Esse rearranjo de íons metálicos, junto com mudanças químicas causadas pela falta de oxigênio, degrada a voltagem e a eficiência da bateria ao longo dos anos. As pessoas já conheciam aspectos desse fenômeno há muito tempo, mas o mecanismo antes era incerto”, comemora o professor de engenharia e ciência dos materiais, William Chueh, coautor do estudo.

Resta agora saber como os cientistas farão para contornar o problema descoberto durante a pesquisa.

Fonte: SLAC

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