As baterias poderiam durar muito mais graças a este novo aditivo para o grafite

Um dos grandes desafios das baterias atuais não se resume apenas ao aumento de sua capacidade, mas também à garantia de que elas resistam ao passar dos ciclos e dos anos. Um grupo de pesquisadores japoneses encontrou agora uma maneira de melhorar esse aspecto, utilizando um novo aditivo que atua sobre a superfície do grafite, um dos materiais mais utilizados nos eletrodos das baterias.

A equipe do Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) desenvolveu um composto chamado imina de pentafluorofenil e tiofeno, conhecido como FPTI. Sua função é aprimorar a camada protetora que se forma sobre o grafite durante os primeiros ciclos de carga, sendo fundamental para controlar o envelhecimento da bateria.

O resultado mais impressionante é observado após 1.000 ciclos. As células de teste tratadas com uma concentração de 4 miligramas de FPTI por mililitro conseguiram manter 95,6% de sua capacidade, enquanto as células sem o aditivo ficaram em 62,7%. Com uma concentração menor, de 2 miligramas por mililitro, a capacidade preservada foi de 89,4%.

A chave está em uma área da bateria que normalmente passa despercebida. Durante as primeiras cargas, forma-se sobre o grafite uma camada conhecida como interface de eletrólito sólido, ou SEI. Essa película permite o movimento dos íons de lítio, mas, ao mesmo tempo, limita certas reações químicas que podem acelerar o desgaste da célula.

Quando essa camada perde estabilidade, aumenta a resistência interna e parte do lítio ativo da bateria é consumido. O resultado é uma perda progressiva da capacidade. O que os pesquisadores japoneses buscaram foi justamente fazer com que essa proteção fosse mais estável desde o início.

Um aditivo que cria uma camada protetora mais resistente

O FPTI foi projetado para reagir nas primeiras fases de funcionamento, antes dos outros componentes do eletrólito. Dessa forma, contribui para criar uma camada protetora mais estável sobre o grafite. A análise realizada pela equipe mostrou ainda uma alta presença de fluoreto de lítio nessa camada, enquanto outros componentes provenientes do enxofre e do grupo imina do composto também participam de sua formação.

O efeito pode ser medido diretamente na resistência interna da célula. Com a concentração mais elevada de FPTI, a resistência da camada protetora passou de 7,6 ohms na célula de referência para apenas 2,2 ohms. A resistência associada à transferência de carga também diminuiu de 41,8 para 19,8 ohms, enquanto o movimento dos íons de lítio melhorou.

Mas é no teste de longa duração que aparece a diferença mais significativa. Após 1.000 ciclos, a célula sem FPTI manteve 62,7% de sua capacidade de referência, enquanto as tratadas com 2 e 4 miligramas por mililitro mantiveram 89,4% e 95,6%, respectivamente. Além disso, as células sem o aditivo começaram a apresentar uma perda de capacidade especialmente significativa a partir de cerca de 350 ciclos.

Os pesquisadores queriam verificar se o mesmo princípio poderia ser aplicado a uma bateria completa, utilizando um eletrodo positivo de NMC811 e um negativo de grafite. Foi então que surgiu uma limitação importante: adicionar diretamente o FPTI ao eletrólito de toda a bateria não funcionou bem, pois aumentava a resistência no eletrodo positivo e prejudicava o desempenho.

A solução foi utilizar o composto apenas para tratar previamente o eletrodo de grafite. Primeiro, foi formada a camada protetora aprimorada sobre o grafite por meio do FPTI, e depois a bateria completa foi montada utilizando o eletrólito convencional, sem manter o aditivo em toda a célula.

O resultado também foi significativo. A bateria completa que utilizava o grafite tratado com 4 miligramas por mililitro de FPTI alcançou uma densidade energética de aproximadamente 233 Wh/kg, em comparação com cerca de 192 Wh/kg com o tratamento de 2 miligramas por mililitro e aproximadamente 130 Wh/kg na configuração de referência.

A pesquisa mostra, portanto, que nem sempre é necessário substituir o grafite por um material completamente novo para melhorar a duração de uma bateria. Neste caso, o objetivo é controlar melhor o que acontece em sua superfície e evitar que reações secundárias continuem danificando o eletrodo a cada ciclo.

Ainda assim, falta muito caminho a percorrer antes de se pensar em sua aplicação em carros elétricos. O resultado de 95,6% foi obtido principalmente em células de teste com grafite e lítio, enquanto o teste com uma bateria completa foi realizado por meio de um tratamento prévio do eletrodo negativo. Os próprios pesquisadores apontam que serão necessários testes com células de maior tamanho e em condições de funcionamento mais próximas das comerciais.

A importância do trabalho reside, portanto, mais no caminho que ele abre do que em uma aplicação imediata. Se essa estratégia conseguir funcionar em escala industrial, poderá permitir melhorar a duração das baterias feitas com materiais já conhecidos, sem a necessidade de alterar completamente sua composição. E isso pode ser interessante tanto para carros elétricos quanto para outros sistemas de armazenamento que precisam suportar centenas ou milhares de ciclos sem perder muita capacidade.