O BAM identifica isótopos de lítio como ferramenta diagnóstica para o envelhecimento das baterias
Os pesquisadores do Instituto Federal de Pesquisa e Teste de Materiais descobriram que a distribuição de dois isótopos de lítio nas células está diretamente relacionada aos processos de degradação, como uma impressão digital. Essa descoberta tem como objetivo ajudar a compreender melhor os mecanismos de envelhecimento das baterias.
Imagem simbólica: Uma bateria de alta tensão típica para carros elétricos.
Imagem: Stellantis
A vida útil das baterias de íon de lítio é limitada por processos complexos de envelhecimento, cujas causas costumam ser difíceis de identificar. Pesquisadores da BAM demonstraram que a análise dos isótopos de lítio presentes nas células pode fornecer informações valiosas, como explicam em um artigo publicado na revista _ACS Energy Letters_.
Especificamente, a equipe liderada por Carlos Abad e Beatrice Battistella utilizou a distribuição de dois isótopos de lítio dentro de uma célula como ferramenta diagnóstica para os processos de envelhecimento. A descoberta principal: “Suas marcas e padrões característicos fornecem uma ‘impressão digital’ dos mecanismos subjacentes de degradação”, afirma um comunicado de imprensa da BAM.
O contexto é que vários processos complexos dentro da bateria contribuem para sua degradação. “Até o momento, o desafio de identificar com clareza esses mecanismos de envelhecimento e distingui-los uns dos outros permanece sem solução. Embora os métodos de diagnóstico convencionais mostrem que uma bateria está envelhecendo, eles frequentemente fornecem apenas informações limitadas sobre quando, onde e por meio de qual mecanismo a degradação é desencadeada”, explicou o Instituto Federal de Pesquisa e Teste de Materiais (BAM).
O método recém-desenvolvido se baseia no fato de que o lítio natural é composto por dois isótopos: o lítio-6 e o ligeiramente mais pesado lítio-7. Trata-se de variantes do mesmo elemento químico com um número diferente de nêutrons, conforme explica a equipe de pesquisa. Nas novas baterias, ambos os isótopos de lítio estão distribuídos na mesma proporção observada em todas as ocorrências naturais desse metal alcalino, ou seja, 2,4 por cento para 97,6 por cento.
Os pesquisadores analisaram especificamente uma bateria de lítio com um cátodo feito de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto e um ânodo de grafite. Segundo os cientistas, o lítio-6 começou a se acumular preferencialmente no ânodo já após os primeiros ciclos de carga. Após mais 280 ciclos, esse efeito se intensificou, enquanto o cátodo apresentou um aumento significativo no teor de lítio-7. Ao mesmo tempo, a capacidade das células diminuiu.
De acordo com a BAM, a detecção foi possível graças a uma forma de espectrometria de massa de alta resolução, que permitiu determinar a distribuição dos isótopos de lítio camada por camada em toda a profundidade dos eletrodos. As investigações foram realizadas em colaboração com a Nu Instruments Ltd., no Reino Unido, e o Instituto Leibniz de Pesquisa em Estado Sólido e Materiais de Dresden (IFW Dresden).
“A distribuição dos isótopos de lítio fornece, assim, informações diretas sobre os processos de envelhecimento nas baterias de íon de lítio. Os isótopos atuam como marcadores naturais. Sua distribuição oferece insights sobre os mecanismos que controlam o movimento do lítio durante a operação da bateria e onde ocorrem as mudanças”, disse Beatrice Battistella. Os pesquisadores também conseguiram demonstrar que esses vestígios estão intimamente relacionados à perda de capacidade das baterias.
Para o BAM, a importância dos resultados reside principalmente em suas possíveis aplicações para medições precisas: em vez de detectar o envelhecimento apenas por meio da perda de capacidade, ele poderá ser acompanhado muito antes no futuro, com base nas marcas deixadas pelos isótopos de lítio na célula da bateria. “Isso permite uma compreensão mais precisa dos mecanismos de envelhecimento e é fundamental para aprimorar as baterias de maneira mais direcionada e prever com maior exatidão sua vida útil”, conclui o instituto.