Investigação sobre baterias: visualização dos processos de envelhecimento operando
muita coisa acontece nas interfaces entre o ânodo, o separador e o cátodo enquanto uma bateria está a carregar ou a descarregar
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As pilhas-botão de lítio com eléctrodos feitos de óxidos de níquel-manganês-cobalto (NMC) são muito potentes. Infelizmente, a sua capacidade diminui com o tempo. Agora, pela primeira vez, uma equipa utilizou um método não destrutivo para observar como a composição elementar das camadas individuais de uma pilha-botão se altera durante os ciclos de carregamento. O estudo, agora publicado na revista Small, envolveu equipas do Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), da Universidade de Münster, investigadores do grupo de investigação SyncLab da HZB e do laboratório BLiX da Universidade Técnica de Berlim. As medições foram efectuadas no laboratório BLiX e na fonte de radiação de sincrotrão BESSY II.
As baterias de iões de lítio tornaram-se cada vez melhores. A combinação de óxidos de níquel-manganês-cobalto em camadas (NMC) com um elétrodo de grafite (ânodo) foi bem estabelecida como material catódico em pilhas-botão e tem sido continuamente melhorada. No entanto, mesmo as melhores baterias não duram para sempre; elas 'envelhecem' e perdem capacidade com o tempo.
Acontece muita coisa nas interfaces entre o ânodo, o separador e o cátodo enquanto uma bateria está a carregar ou a descarregar", explica Ioanna Mantouvalou, física da HZB e primeira autora do estudo. Normalmente, estas alterações só são estudadas depois de a bateria ter sido desmontada, ou seja, ex situ e num ponto específico do processo de ciclo. Mas agora existe outra forma: as experiências in situ e operando permitem observar o interior da bateria enquanto os processos estão a decorrer, utilizando a fluorescência de raios X (XRF) e a espetroscopia de absorção de raios X (XAS) numa chamada geometria confocal. Esta geometria permite a digitalização 3D de uma amostra com resoluções de profundidade até 10 µm. Estas configurações experimentais já são possíveis na fonte de radiação sincrotrónica BESSY II. No entanto, o tempo de medição no BESSY II é limitado, pelo que as pilhas não podem ser estudadas durante toda a sua vida útil.
Por isso, Ioanna Mantouvalou utiliza um espetrómetro confocal de micro fluorescência de raios X no BLiX, que pode analisar amostras de forma totalmente automática durante longos períodos de tempo. A configuração confocal permite-nos distinguir as camadas individuais desde o cátodo NMC até ao contacto posterior e estudar a sua composição elementar. Isto dá-nos uma visão espacialmente resolvida do funcionamento sem alterar a pilha de camadas. Não destrutivo! Quantitativo, em condições de funcionamento, ou seja, operando", afirma Mantouvalou.
Os investigadores analisaram uma célula-botão de lítio no instrumento BLiX durante várias semanas e mais de 10 000 ciclos de carga, fornecendo dados sobre a degradação do elétrodo NMC ao longo do tempo. Além disso, a amostra foi examinada na nova linha de luz de microfoco (MiFO) do laboratório PTB do BESSY II.
O estudo mostra que, durante as três primeiras semanas, o manganês, em particular, se dissolve do cátodo NMC e migra para o ânodo de carbono. Este processo demora cerca de 200 ciclos. Depois disso, o composto dissolve-se cada vez mais nas camadas intermédias, o que impede outras reacções e processos. Precisamos urgentemente de resultados quantitativos deste tipo para continuar a melhorar as baterias", afirma Mantouvalou. O dispositivo do laboratório BLiX também pode ser utilizado para experiências com outros materiais.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Ioanna Mantouvalou, Lena Mathies, Katja Frenzel, Yannick Wagener, Leona Johanna Bauer, Daniel Grötzsch, Matthias Müller, Birgit Kanngießer, Martin Winter, Sascha Nowak, Adrian Jonas, Burkhard Beckhoff; "Operando Measurement of Transition Metal Deposition in a NMC Li‐Ion Battery Using Laboratory Confocal Micro‐X‐ray Fluorescence Spectroscopy"; Small, 2025-4-18
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