Cientistas japoneses desenvolvem bateria de íons de lítio de alta densidade energética e sem cobalto

Da pv magazine Global

Os veículos elétricos atuais são predominantemente alimentados por baterias de íons de lítio de níquel-manganês-cobalto (NMC). No entanto, a inclusão de cobalto nesse tipo de bateria tem sido considerada problemática devido à sua escassez antecipada, bem como aos riscos associados à cadeia de suprimentos relacionados à sua fonte única, direitos humanos e práticas de mineração.

Agora, uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Tóquio projetou uma bateria de íons de lítio emparelhando um cátodo livre de cobalto com um ânodo de subóxido de silício (SiO_x), abordando com sucesso o desafio do cobalto.

“Há muitas razões pelas quais queremos deixar de usar cobalto para melhorar as baterias de íons de lítio”, disse o professor Atsuo Yamada, do Departamento de Engenharia de Sistemas Químicos. “Para nós o desafio é técnico, mas seu impacto pode ser ambiental, econômico, social e tecnológico. Temos o prazer de relatar uma nova alternativa ao cobalto usando uma nova combinação de elementos nos eletrodos, incluindo lítio, níquel, manganês, silício e oxigênio – todos elementos muito mais comuns e menos problemáticos para produzir e trabalhar.”

Subjacente a esta combinação favorável de eletrodos está um projeto eletrólito racional baseado em LiFSI/FEMC de 3,4 M caracterizando um potencial deslocado, que serve para auxiliar a formação de camadas de passivação robustas no anodo e promover a estabilidade eletrolítica contra degradações redutivas e oxidativas.

Além de apresentar eletrodos e eletrólitos desprovidos de cobalto, o novo design da bateria também apresentou uma série de vantagens em relação às baterias convencionais de íons de lítio. Ele tem uma densidade de energia cerca de 60% maior, o que poderia equivaler a uma vida mais longa, e pode fornecer 4,4 volts, em oposição a cerca de 3,2-3,7 volts das baterias NMC convencionais.

Além disso, as baterias de teste com a nova química foram capazes de carregar e descarregar totalmente mais de 1.000 ciclos, simulando três anos de uso total e carregamento. No processo, eles estavam perdendo apenas cerca de 20% de sua capacidade de armazenamento.

“Estamos muito satisfeitos com os resultados até aqui, mas chegar até aqui não foi sem desafios. Foi uma luta tentando suprimir várias reações indesejáveis que estavam ocorrendo nas primeiras versões de nossas novas químicas de baterias, o que poderia ter reduzido drasticamente a longevidade das baterias”, disse Yamada.

“E ainda temos algum caminho a percorrer, pois há pequenas reações a mitigar para melhorar ainda mais a segurança e a longevidade. No momento, estamos confiantes de que essa pesquisa levará a baterias aprimoradas para muitas aplicações, mas algumas, onde a durabilidade e a vida útil extremas são necessárias, podem não estar satisfeitas ainda.”

De acordo com os pesquisadores, sua formulação de eletrólitos oferece um caminho para baterias de íons de lítio sustentáveis e de alto desempenho, enquanto o conceito pode ser aplicado a outras tecnologias de energia eletroquímica, incluindo outros tipos de baterias, divisão de água (para produzir hidrogênio e oxigênio), fundição de minério, eletrorevestimento e muito mais.

Suas descobertas são discutidas em “Electrolyte design for lithium-ion batteries with a cobalt-free cathode and silicone oxide anode”, publicado na Nature Sustainability.