KAIST revela a causa da degradação do desempenho das baterias de níquel para veículos eléctricos
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As baterias de níquel, que são baterias de iões de lítio de alta energia utilizadas principalmente em veículos eléctricos, oferecem uma elevada densidade energética mas sofrem de uma rápida degradação do desempenho. Uma equipa de investigação do KAIST identificou, pela primeira vez a nível mundial, a causa fundamental da rápida deterioração (degradação) das baterias de níquel e propôs uma nova abordagem para a resolver.
O KAIST anunciou em 3 de dezembro que uma equipa de investigação liderada pelo Professor Nam-Soon Choi do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular, em colaboração com uma equipa de investigação liderada pelo Professor Dong-Hwa Seo do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, revelou que o aditivo eletrolítico "succinonitrilo (CN4)", que tem sido utilizado para melhorar a estabilidade e o tempo de vida das pilhas, é na realidade o principal responsável pela degradação do desempenho das pilhas de níquel.
Numa pilha, a eletricidade é gerada quando os iões de lítio viajam entre o cátodo e o ânodo. Uma pequena quantidade de CN4 é incluída no eletrólito para facilitar o movimento do lítio. A equipa de investigação confirmou, através de cálculos informáticos, que o CN4, que tem duas estruturas de nitrilo (-CN), se liga de forma excessivamente forte aos iões de níquel na superfície do cátodo com alto teor de níquel.
A estrutura de nitrilo é uma estrutura tipo "gancho", em que o carbono e o azoto estão ligados por uma ligação tripla, o que faz com que adira bem aos iões metálicos. Esta forte ligação destrói a dupla camada eléctrica protetora (EDL) que se deveria formar na superfície do cátodo. Durante o processo de carga e descarga, a estrutura do cátodo é distorcida (distorção de Jahn-Teller), e mesmo os electrões do cátodo são arrastados para o CN4, levando a uma rápida danificação do cátodo.
Os iões de níquel que saem durante este processo migram através do eletrólito para a superfície do ânodo, onde se acumulam. Este níquel actua como um "mau catalisador" que acelera a decomposição do eletrólito e desperdiça lítio, acelerando ainda mais a degradação da bateria.
Várias análises confirmaram que o CN4 transforma a superfície do cátodo com elevado teor de níquel numa camada anormal deficiente em níquel e altera a estrutura normalmente estável numa "estrutura de sal-gema" anormal.
Isto prova a natureza dupla do CN4: embora seja útil nas baterias LCO (óxido de lítio e cobalto), provoca de facto o colapso estrutural nas baterias com elevado teor de níquel.
Esta investigação tem um significado importante como análise precisa que vai além do simples controlo das condições de carga/descarga, chegando mesmo a elucidar a transferência real de electrões que ocorre entre os iões metálicos e as moléculas do eletrólito. Com base neste resultado, a equipa de investigação planeia desenvolver um novo aditivo eletrolítico optimizado para cátodos com alto teor de níquel.
O Professor Nam-Soon Choi declarou: "Uma compreensão precisa a nível molecular é essencial para aumentar a vida útil e a estabilidade das baterias. Esta investigação abrirá caminho para o desenvolvimento de novos aditivos que não se ligam excessivamente ao níquel, contribuindo significativamente para a comercialização de baterias de alta capacidade da próxima geração."
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