Estudo: A exposição ao ar acelera o envelhecimento em baterias ricas em níquel
Pesquisadores da Universidade Hanyang, na Coreia do Sul, identificaram um mecanismo de envelhecimento anteriormente negligenciado em materiais de cátodo ricos em níquel e sem cobalto. Seus resultados sugerem que o simples armazenamento dos materiais precursores no ar pode desencadear mudanças químicas que reduzem significativamente a vida útil da bateria.
Os pesquisadores focaram em cátodos sem cobalto, com um núcleo rico em níquel e uma camada externa rica em manganês. Esses materiais são considerados uma abordagem promissora para aumentar o alcance dos veículos elétricos, ao mesmo tempo em que reduzem a dependência da matéria-prima essencial, o cobalto. No entanto, a equipe descobriu que o simples armazenamento dos materiais precursores no ar pode provocar mudanças químicas que aceleram o envelhecimento da bateria.
De acordo com o estudo, armazenar materiais precursores no ar faz com que o manganês na superfície das partículas se oxide. Essa oxidação cria regiões de superfície defeituosas que contêm espécies de manganês distorcidas pelo efeito Jahn-Teller. Essas espécies reagem de maneira particularmente intensa com o eletrólito, promovem a dissolução dos metais de transição e desencadeiam reações prejudiciais no ânodo de grafite. Nos sistemas de baterias ricos em níquel analisados, os pesquisadores constataram que esse efeito quase dobrou a perda de capacidade durante testes de ciclagem de longo prazo.
“Descobrimos que uma camada rica em manganês, normalmente introduzida para proteger catodos com alto teor de níquel, pode, ao contrário, se tornar um catalisador para a degradação caso a química dos materiais precursores não seja controlada com cuidado”, explicou o Prof. Bang, “Até mesmo pequenas variações no histórico de armazenamento dos materiais precursores podem afetar significativamente a estabilidade da bateria.”
Como solução potencial, os pesquisadores propõem aumentar o teor de lítio durante a síntese. De acordo com o estudo, essa abordagem inibe a formação da fase de superfície defeituosa e restaura um vínculo estável entre manganês e oxigênio. Nos testes, os cátodos produzidos com esse método mantiveram mais de 90% de sua capacidade, demonstrando uma estabilidade a longo prazo significativamente melhorada.
A equipe de pesquisa acredita que os resultados fornecem informações importantes para o desenvolvimento de catodos de alta energia sem cobalto. Eles enfatizam que a simples eliminação do cobalto não é suficiente. “Nossos resultados mostram que até mesmo pequenas variações na história dos precursores podem ter consequências significativas no desempenho da bateria, tornando o gerenciamento dos precursores uma consideração importante para a produção em larga escala”, acrescentou o Prof. Bang.
Segundo os pesquisadores, um controle cuidadoso no manuseio dos materiais e na estequiometria do lítio poderia oferecer um caminho relativamente simples para baterias mais duráveis, sem a necessidade de revestimentos adicionais dispendiosos ou mudanças fundamentais nas linhas de produção.
Para maior clareza, o estudo não analisa as baterias LFP e NMC utilizadas na maioria dos veículos elétricos atuais. Em vez disso, concentra-se em catodos livres de cobalto e ricos em níquel, com camadas protetoras ricas em manganês, que estão sendo desenvolvidos como possíveis sucessores das atuais células de íon de lítio ricas em níquel. Portanto, os resultados fornecem informações importantes para o desenvolvimento de baterias de tração futuras, mostrando que a durabilidade a longo prazo depende não apenas da química da célula, mas também de um controle rigoroso do processo de fabricação.