Como a neurociência ajudou a desfazer mito sobre as baterias de lítio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 08/08/2023

Ilustração do chip emprestado da neurociência para estudar as partículas das baterias. (a) Ilustração esquemática da matriz multieletrodos. (b) Imagem óptica dos eletrodos. (c) Imagem ampliada de quatro microeletrodos em funcionamento. (d) Imagem de uma partícula em um microeletrodo em funcionamento. (e) Seção transversal de uma partícula obtida usando moagem por plasma de feixe de íons focalizado.
[Imagem: Jinhong Min et al. - 10.1039/D3EE00953J]

Trincas do bem ou trincas do mal?

Os fabricantes de baterias de íons de lítio sempre tentaram reduzir as trincas microscópicas que podem ocorrer no eletrodo positivo porque essas trincas reduzem a vida útil das baterias.

Ou, pelo menos nisso é o que todos os envolvidos acreditavam até agora. Só que parece que não é bem assim.

Jinhong Min e Yiyang Li, da Universidade de Michigan, nos EUA, acabam de descobrir que as trincas no eletrodo positivo podem na verdade reduzir o tempo de recarregamento das baterias de íons de lítio.

"Muitas empresas estão interessadas em fabricar baterias de 'um milhão de milhas' [de autonomia para carros elétricos] usando partículas que não racham. Infelizmente, se as rachaduras forem removidas, as partículas da bateria não serão capazes de carregar rapidamente sem a área de superfície extra dessas rachaduras," explicou Li.

A equipe acredita que suas descobertas se aplicam a mais da metade de todas as baterias de veículos elétricos já produzidas, nas quais o eletrodo positivo - ou cátodo - é composto de trilhões de partículas microscópicas feitas de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto ou óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio.

Neurociência das baterias

Teoricamente, a velocidade com que o cátodo carrega diminui seguindo a proporção superfície-volume das partículas. Partículas menores devem carregar mais rápido do que partículas maiores porque elas têm uma área de superfície maior em relação ao volume, de modo que os íons de lítio precisam percorrer distâncias mais curtas para se difundir através delas.

Só que ninguém havia até hoje conseguido rastrear exatamente o que acontece com cada partícula individualmente. Como os métodos convencionais de observação não conseguem medir diretamente as propriedades de carga das partículas individuais do cátodo, tudo o que se dispunha até agora era da média de todas as partículas que compõem o cátodo da bateria. Isso significa que a relação amplamente aceita entre a velocidade de carregamento e tamanho da partícula do cátodo era apenas uma suposição.

Foi aí que a equipe se voltou para as pesquisas de neurociência.

Mais especificamente, eles se interessaram em chips usados para estudar neurônios, compostos por matrizes de eletrodos que podem ser usados para levar eletricidade para cada neurônio ou detectar seus disparos. Cada matriz é um chip personalizado de 2 por 2 centímetros, com até 100 microeletrodos.

"Quando eu estava na pós-graduação, um colega que estudava neurociência me mostrou matrizes que eles usavam para estudar neurônios individuais. Eu me perguntei se também poderíamos usá-las para estudar partículas de bateria, que são semelhantes em tamanho aos neurônios," contou Li.

(a) A explicação atual para o transporte de lítio em nível de partícula, que assume que o lítio entra na superfície das partículas secundárias e se difunde no volume. Como resultado, o comprimento de difusão efetivo aumenta com o diâmetro da partícula secundária. (b) O novo modelo proposto pela equipe, no qual a escala de comprimento relevante é muito mais curta do que o raio da partícula secundária e é independente do diâmetro dela.
[Imagem: Jinhong Min et al. - 10.1039/D3EE00953J]

Complicando as coisas

Em vez de cultivar neurônios sobre o chip, Min e Li distribuíram sobre ele as partículas do cátodo da bateria de lítio, o que permitiu pela primeira vez medir o comportamento de cada uma delas.

O experimento revelou que as velocidades de carregamento das partículas do cátodo não dependem do seu tamanho. Os pesquisadores acreditam que a explicação mais provável para esse comportamento inesperado é que as partículas maiores na verdade se comportam como uma coleção de partículas menores quando trincam internamente.

Assim, os projetistas das baterias de "um milhão de milhas" precisarão considerar os benefícios dos materiais que trincam, em vez de simplesmente continuar na busca insistente de partículas de cristal único que não trincam. Para carregar rapidamente, essas partículas podem precisar ser menores do que as partículas atuais, que apresentam o trincamento.

A alternativa é fabricar cátodos de cristal único com diferentes materiais, que possam mover o lítio mais rapidamente, mas esses materiais podem ser limitados pelo suprimento de metais necessários ou terem densidades de energia mais baixas, disse Li.

Ou seja, a descoberta mostrou que a missão dos projetistas de baterias é mais desafiadora do que já parecia.

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