A BAM identifica isótopos de lítio como ferramenta de diagnóstico para avaliar o envelhecimento das baterias
Cientistas da Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung descobriram que a distribuição de dois isótopos de lítio nas células, semelhante a uma impressão digital, está diretamente relacionada aos processos de degradação. Esse achado deve ajudar a compreender melhor os mecanismos de envelhecimento das baterias.
Imagem ilustrativa: Uma bateria de alta tensão típica para carros elétricos.
Imagem: Stellantis
A vida útil das baterias de íons de lítio é limitada por processos complexos de envelhecimento, cujas causas costumam ser difíceis de distinguir entre si. Pesquisadores da BAM conseguiram demonstrar que vale a pena analisar com mais precisão os isótopos de lítio presentes nas células, como explicam em um artigo publicado na revista especializada ACS Energy Letters.
Especificamente, a equipe de Carlos Abad e Beatrice Battistella utilizou a distribuição de dois isótopos de lítio em uma célula como ferramenta de diagnóstico para os processos de envelhecimento. A principal descoberta é que “suas marcas e padrões característicos fornecem uma pista sobre os mecanismos de degradação subjacentes”, afirma um comunicado da BAM.
O contexto é que, no interior da bateria, vários processos complexos são responsáveis pela degradação. “Até agora, a dificuldade permanece sem solução: identificar com precisão esses mecanismos de envelhecimento e distingui-los uns dos outros. Os métodos tradicionais de diagnóstico, embora mostrem que uma bateria está envelhecendo, frequentemente fornecem apenas informações limitadas sobre quando, onde e por meio de qual mecanismo a degradação é provocada”, descreve a agência federal a situação atual.
O método recém-desenvolvido aproveita o fato de que o lítio natural é composto pelos dois isótopos lítio-6 e o ligeiramente mais pesado lítio-7. Trata-se de variantes do mesmo elemento químico com um número diferente de nêutrons, segundo a equipe de pesquisadores. Nas novas baterias, ambos os isótopos de lítio estão distribuídos da mesma forma que em todas as ocorrências naturais desse metal alcalino, ou seja, numa proporção de 2,4% para 97,6%.
Especificamente, os pesquisadores analisaram uma bateria de lítio com uma cátodo feita de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC) e uma anodo de grafite. Já nos primeiros ciclos de carregamento, o lítio-6 se acumulou preferencialmente na anodo, segundo os cientistas. Após mais 280 ciclos, esse efeito se intensificou, enquanto a cátodo apresentou teores significativamente maiores 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 ao longo de toda a profundidade das eletródas. As pesquisas foram realizadas em colaboração com a Nu Instruments Ltd., no Reino Unido, e com o Instituto Leibniz de Pesquisa em Materiais Sólidos de Dresden (IFW Dresden).
“A distribuição dos isótopos de lítio fornece informações diretas sobre os processos de envelhecimento nas baterias de íons de lítio. Os isótopos atuam como marcadores naturais. Sua distribuição nos mostra como o lítio se move durante o funcionamento da bateria e em quais locais ocorrem alterações”, resume Beatrice Battistella. Os pesquisadores também conseguiram comprovar que essas marcas estão intimamente relacionadas à perda de capacidade das baterias.
Para a BAM, a importância dos resultados reside principalmente em suas possibilidades de aplicação para medições precisas: em vez de identificar o envelhecimento apenas pela perda de capacidade, ele poderá ser rastreado no futuro com muito mais antecedência, por meio das marcas deixadas pelos isótopos de lítio na célula da bateria. “Isso permite uma compreensão mais precisa dos mecanismos de envelhecimento e é, em última análise, fundamental para aprimorar as baterias de forma mais direcionada e prever com maior exatidão sua vida útil”, conclui o texto.