O KAIST identifica uma via para baterias de veículos elétricos com carregamento mais rápido e maior durabilidade
Equipa de investigação utiliza um gémeo digital 3D para revelar mecanismos de degradação localizados durante o carregamento rápido
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Será que os veículos elétricos podem carregar rapidamente sem comprometer a longevidade da bateria? Uma equipa de investigação do KAIST identificou uma possível solução utilizando um gémeo digital tridimensional — um modelo virtual que recria a microestrutura interna de um elétrodo de bateria real. A equipa descobriu que o desempenho do carregamento rápido e o comportamento de degradação são influenciados não só pelas quantidades de materiais e pelo espaço poroso no interior do elétrodo, mas também pela forma como estes se distribuem.
O KAIST (Presidente Choongsik Bae) anunciou, a 24 de agosto, que uma equipa de investigação liderada pelo Professor Kang Taek Lee, do Departamento de Engenharia Mecânica, em colaboração com a Professora EunAe Cho, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, construiu um gémeo digital 3D baseado na microestrutura e nas especificações de um ânodo de grafite comercial. Utilizando o modelo, os investigadores analisaram quantitativamente os mecanismos de degradação localizada que surgem durante o carregamento rápido.
Um ânodo de bateria de iões de lítio é composto por grafite, que armazena lítio; um aglutinante que mantém as partículas de grafite unidas; e um espaço poroso preenchido com eletrólito, por onde os iões de lítio circulam. Quando uma bateria é carregada, os iões de lítio deslocam-se para as partículas de grafite no ânodo, onde são intercalados e armazenados. No entanto, se o carregamento ocorrer demasiado rapidamente, alguns iões de lítio não conseguem entrar na grafite a tempo e, em vez disso, acumulam-se como lítio metálico na superfície — um fenómeno denominado «placagem de Li». É semelhante ao que acontece quando os carros se acumulam à entrada de um parque de estacionamento porque chegam demasiados ao mesmo tempo e não conseguem entrar com a rapidez necessária. Se esta situação se mantiver, pode comprometer tanto o desempenho como a vida útil da bateria.
Durante o carregamento, forma-se também uma fina película protetora na superfície da grafite, denominada camada de interfase do eletrólito sólido (SEI). É necessária uma camada SEI devidamente formada, mas se esta se tornar demasiado espessa ou irregular, pode prejudicar o desempenho da bateria. Além disso, à medida que o lítio entra nas partículas de grafite durante o carregamento, estas expandem-se e exercem pressão sobre o material circundante, criando tensão mecânica no interior do elétrodo.
Estes processos ocorrem simultaneamente à escala microscópica, tornando os seus efeitos individuais difíceis de distinguir experimentalmente. Os modelos computacionais existentes também se têm baseado principalmente nas propriedades médias do elétrodo, dificultando a compreensão da complexa estrutura interna e do comportamento dependente da localização no interior do elétrodo.
Para resolver esta questão, a equipa de investigação criou um «gémeo digital 3D» do elétrodo da bateria com base na estrutura de um ânodo de grafite comercial real. A equipa reconstruiu as partículas de grafite, o aglutinante que as mantém unidas e os poros preenchidos com eletrólito através dos quais os iões de lítio se deslocam — tudo em três dimensões.
Utilizando este elétrodo virtual, os investigadores variaram a espessura do elétrodo, a porosidade e a distribuição do aglutinante, simulando depois um carregamento rápido para analisar a forma como os iões de lítio se moviam. Também examinaram onde ocorria a deposição de lítio, como se formava a película protetora e quais as partes do ânodo que sofriam tensão concentrada.
Os resultados mostraram que, mesmo quando as capacidades de carga globais eram semelhantes, o comportamento de degradação interna dos ânodos podia diferir significativamente, dependendo da forma como o aglutinante e o espaço poroso estavam dispostos no interior do elétrodo.
Nos ânodos de 50 micrómetros (μm), a diferença nas capacidades de carga devido à distribuição do aglutinante situava-se dentro de 4% — o que significa que havia pouca diferença aparente no desempenho de carregamento. No interior do elétrodo, no entanto, os locais onde o lítio era intercalado e onde ocorriam reações que degradavam o desempenho diferiam claramente.
Em particular, quando o aglutinante se concentrava perto do separador, o espaço poroso disponível para o transporte de iões de lítio diminuía, tornando mais difícil a movimentação dos iões de lítio através do ânodo. É muito semelhante à forma como uma estrada mais estreita provoca congestionamento de trânsito. Neste caso, a deposição de Li junto ao coletor de corrente aumentou mais de 10% em comparação com o ânodo com um aglutinante distribuído uniformemente.
Por outro lado, quando o aglutinante estava distribuído de forma relativamente uniforme por todo o elétrodo, o transporte de iões de lítio tornou-se mais uniforme e a película protetora também se formou de forma mais uniforme.
Esta diferença aumentou à medida que o elétrodo se tornava mais espesso. Em ânodos com 83 μm de espessura, a diferença de capacidade de carga entre as duas distribuições do aglutinante aumentou para cerca de 18%. Isto sugere que a criação de elétrodos mais espessos para armazenar mais energia requer um planeamento cuidadoso, não só da quantidade de material utilizada, mas também da forma exata como este é disposto no interior.
A localização do espaço poroso também afetou a tensão a que o elétrodo foi submetido. Nos locais onde havia espaço poroso suficiente, a área circundante conseguia acomodar as partículas de grafite à medida que estas se expandiam durante o carregamento. Nos locais onde o espaço poroso era insuficiente, as partículas de grafite não tinham espaço para se expandir, concentrando a tensão em áreas específicas.
Através deste estudo, a equipa de investigação propôs uma nova orientação de conceção para baterias de iões de lítio de carregamento rápido: em vez de se limitarem a analisar a quantidade de aglutinante e de espaço poroso que um elétrodo contém, os investigadores devem também considerar onde e como estes estão distribuídos.
A utilização de um gémeo digital 3D permite examinar potenciais problemas no interior de uma bateria num espaço virtual, antes de construir e testar manualmente vários projetos de elétrodos. Espera-se que esta abordagem ajude a identificar a estrutura ideal do elétrodo, contribuindo para o desenvolvimento de baterias capazes de carregar mais rapidamente, mantendo ao mesmo tempo uma vida útil mais longa.
«Esta investigação é significativa na medida em que utilizou um gémeo digital 3D para revelar problemas internos da bateria que eram difíceis de detetar apenas a partir do desempenho geral de carregamento», afirmou o professor Lee. Acrescentou ainda que a disposição adequada do aglutinante e do espaço poroso no interior do elétrodo poderia ajudar a conceber baterias que armazenem mais energia, carreguem mais rapidamente e tenham uma vida útil mais longa.
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.
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