Por UNIVERSIDADE DA CALIFÓRNIA, SAN DIEGO.
Uma equipe de engenheiros fez um avanço significativo no desenvolvimento de baterias de lítio-metal de carregamento rápido, de acordo com um artigo recente publicado na Nature Energy. Essas baterias são capazes de carregar em menos de uma hora, graças ao crescimento de cristais metálicos de lítio uniformes que podem ser rapidamente semeados em uma superfície surpreendente. Essa tecnologia inovadora é uma grande promessa para o futuro do armazenamento de energia.
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Em um novo artigo da Nature Energy , os engenheiros relatam o progresso em direção a baterias de lítio-metal que carregam rapidamente – em até uma hora. Esse carregamento rápido se deve aos cristais metálicos de lítio que podem ser semeados e cultivados – de forma rápida e uniforme – em uma superfície surpreendente. O truque é usar uma superfície de crescimento de cristal da qual o lítio oficialmente não “gosta”. A partir desses cristais de semente crescem camadas densas de lítio metálico uniforme.
Camadas uniformes de metal de lítio são de grande interesse para os pesquisadores de baterias porque não possuem picos que degradam o desempenho da bateria, chamados dendritos. A formação desses dendritos em ânodos de bateria é um obstáculo de longa data para baterias de lítio-metal ultra-densas em energia de carregamento rápido.
Essa nova abordagem, liderada por engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego, permite carregar baterias de lítio-metal em cerca de uma hora, uma velocidade que é competitiva em relação às baterias de íon-lítio atuais. Os engenheiros da UC San Diego, em colaboração com os pesquisadores de imagens da UC Irvine, publicaram hoje (9 de fevereiro de 2023) na revista Nature Energy esse avanço destinado a desenvolver baterias de lítio-metal de carregamento rápido .
Nesta imagem SEM, cristais grandes e uniformes de lítio metálico crescem em uma superfície que é surpreendente porque não “gosta” de lítio. Pesquisadores de baterias da UC San Diego descobriram que os cristais de metal de lítio podem ser iniciados (nucleados) e crescidos, rápida e uniformemente, em camadas densas de metal de lítio que não possuem dendritos que degradam o desempenho. Em um artigo da Nature Energy publicado em 9 de fevereiro de 2023, os pesquisadores de bateria da UC San Diego mostraram que essa formação surpresa de sementes de cristal de lítio leva a densas camadas de lítio mesmo em altas taxas de carregamento, resultando em baterias de lítio-metal de ciclo longo. que também pode ser carregado rapidamente. Esta descoberta supera um fenômeno comum em baterias recarregáveis de lítio-metal em que o carregamento de alta taxa sempre leva a lítio poroso e ciclos de vida curtos. Ao substituir as onipresentes superfícies de cobre no lado negativo (o ânodo) das baterias de lítio-metal por essa superfície litofóbica feita de fluoreto de lítio e ferro, os pesquisadores abriram um novo caminho para a criação de lítio-metal mais confiável, seguro e de alto desempenho. baterias. Crédito: Zhaohui Wu e Zeyu Hui / UC San Diego
Para cultivar cristais de metal de lítio, os pesquisadores substituíram as onipresentes superfícies de cobre no lado negativo (o ânodo) das baterias de metal de lítio por uma superfície nanocomposta litofóbica feita de fluoreto de lítio (LiF) e ferro (Fe). Usando essa superfície litofóbica para deposição de lítio, formaram-se sementes de cristal de lítio e, a partir dessas sementes, cresceram densas camadas de lítio – mesmo em altas taxas de carregamento. O resultado foram baterias de lítio-metal de ciclo longo que podem ser carregadas rapidamente.
“A superfície especial do nanocompósito é a descoberta”, disse Ping Liu, professor de nanoengenharia da UC San Diego, autor sênior do novo artigo. “Desafiamos a noção tradicional de que tipo de superfície é necessária para cultivar cristais de lítio. A sabedoria predominante é que o lítio cresce melhor em superfícies de que gosta, superfícies que são litiofílicas. Neste trabalho, mostramos que nem sempre é verdade. O substrato que usamos não gosta de lítio. No entanto, fornece locais de nucleação abundantes, juntamente com o rápido movimento do lítio na superfície. Esses dois fatores levam ao crescimento desses lindos cristais. Este é um bom exemplo de uma visão científica resolvendo um problema técnico.”
Imagem crio-TEM de um único cristal de lítio metálico que foi semeado em uma surpreendente superfície nanocomposta litiofoboica feita de fluoreto de lítio e ferro. O cristal de lítio tem uma forma bipiramidal hexagonal. Em um artigo da Nature Energy publicado em 9 de fevereiro de 2023, os pesquisadores da UC San Diego e da UC Irvine mostraram que essa formação surpresa de sementes de cristal de lítio leva a densas camadas de lítio mesmo em altas taxas de carregamento, resultando em lítio de longa vida útil. baterias de metal que também podem ser carregadas rapidamente. Esta descoberta supera um fenômeno comum em baterias recarregáveis de lítio-metal em que o carregamento de alta taxa sempre leva a lítio poroso e ciclos de vida curtos. Ao substituir as onipresentes superfícies de cobre no lado negativo (o ânodo) das baterias de lítio-metal por esta superfície litofóbica feita de fluoreto de lítio e ferro, os pesquisadores abriram um novo caminho para a criação de baterias de lítio-metal mais confiáveis, seguras e de alto desempenho. Crédito: Chunyang Wang e Huolin Xin / UC Irvine
O novo avanço liderado pelos nanoengenheiros da UC San Diego pode eliminar um obstáculo significativo que está impedindo o uso generalizado de baterias de metal de lítio densas em energia para aplicações como veículos elétricos (EVs) e eletrônicos portáteis. Embora as baterias de lítio-metal tenham grande potencial para VEs e eletrônicos portáteis devido à sua alta densidade de carga, as baterias de lítio-metal de hoje devem ser carregadas de forma extremamente lenta para manter o desempenho da bateria e evitar problemas de segurança. O carregamento lento é necessário para minimizar a formação de dendritos de lítio que prejudicam o desempenho da bateria, que se formam quando os íons de lítio se juntam aos elétrons para formar cristais de lítio no lado do ânodo da bateria. Os cristais de lítio se acumulam à medida que a bateria carrega e os cristais de lítio se dissolvem à medida que a bateria descarrega.
Referência: “Cultivando sementes monocristalinas em substratos litiofóbicos para permitir baterias de lítio-metal de carregamento rápido” por Zhaohui Wu, Zeyu Hui, Haodong Liu, Shen Wang, Sicen Yu, Xing Xing, John Holoubek, Qiushi Miao Ping Liu, Chunyang Wang e Huolin L. Xin, 9 de fevereiro de 2023, Nature Energy .
DOI: 10.1038/s41560-023-01202-1
Ping Liu é diretor do Centro de Energia e Energia Sustentável (SPEC) da Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego, onde também atua como professor no Departamento de NanoEngenharia.
Financiamento: Consórcio Battery500 do Departamento de Energia dos EUA (DOE) DE-EE0007764.
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