Como o oxigénio intrínseco reduz o tempo de vida das baterias de estado sólido
Novo método torna a degradação visível
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Embora as baterias de estado sólido (SSBs) demonstrem um elevado desempenho e sejam intrinsecamente seguras, a sua capacidade diminui atualmente de forma rápida. Uma equipa da TU Wien, da Humboldt-University Berlin e da HZB analisou agora uma meia-célula de estado sólido de TiS₂|Li₃YCl₆ em funcionamento no BESSY II, utilizando um ambiente de amostra especial que permite uma investigação não destrutiva em condições reais de funcionamento. Os dados obtidos através da combinação de espetroscopia de fotoelectrões de raios X moles e duros (XPS e HAXPES) revelaram um novo mecanismo de degradação que não tinha sido previamente identificado em baterias de estado sólido. Obtiveram alguns conhecimentos surpreendentes, particularmente no que diz respeito ao papel prejudicial desempenhado pelo oxigénio intrínseco. Este estudo fornece informações valiosas para melhorar a conceção e o manuseamento de tais baterias.
As baterias de estado sólido (SSBs) oferecem várias vantagens em relação às baterias convencionais, incluindo densidades de energia e potência mais elevadas, bem como maior segurança, uma vez que não contêm electrólitos líquidos inflamáveis. No entanto, uma vez que os iões de lítio migram entre o elétrodo de trabalho e o contra-elétrodo durante o funcionamento, o material sólido pode sofrer alterações de volume, o que pode conduzir a fissuras. Para manter o contacto entre os eléctrodos e o eletrólito, as SSB têm de ser operadas a alta pressão. As alterações de volume, bem como os processos de degradação nas interfaces, limitam frequentemente o tempo de vida destas baterias. Até agora, era praticamente impossível observar estes processos experimentalmente, sobretudo devido à elevada pressão de empilhamento necessária durante o funcionamento. No entanto, o Dr. Elmar Kataev, um cientista do HZB, desenvolveu agora um ambiente de amostra que permite a análise operando de SSBs sob alta pressão, utilizando espetroscopia de fotoelectrões de raios X de duas cores - macia e dura - (XPS e HAXPES) na estação final SISSY no BESSY II. Estas condições de combinação de duas energias diferentes de raios X (duros para a sensibilidade em massa e moles - para a superfície) que atingem o mesmo ponto estão exclusivamente disponíveis na linha de luz EMIL.
Em colaboração com a Dra. Katherine Mazzio da TU Wien, a equipa conseguiu agora, pela primeira vez, distinguir entre reacções à superfície e em interfaces enterradas e analisar os mecanismos de degradação das meias-células de TiS2|Li3YCl6 com maior detalhe. Obtivemos alguns conhecimentos surpreendentes, nomeadamente no que diz respeito ao papel nocivo do oxigénio intrínseco. Observámos que, durante o ciclo, as espécies que contêm oxigénio migram para o coletor de corrente do cátodo, onde reagem com o material do elétrodo ativo perto da interface do coletor de corrente. Isto resulta na formação de uma camada amorfa rica em óxidos de titânio. Esta é a principal causa da rápida perda de capacidade", afirma Mazzio.
Estas descobertas são extremamente importantes para o desenvolvimento futuro das SSBs. Isto porque a entrada de oxigénio nas células da bateria deve ser reduzida ou mesmo evitada durante a produção dos materiais constituintes, dando prioridade ao seu fabrico sob uma atmosfera de gás inerte.
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