Investigação sobre baterias: a distribuição dos isótopos de lítio serve como «impressão digital» dos processos de envelhecimento
Novo método de diagnóstico deteta a degradação da bateria mais cedo do que a medição da capacidade
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A vida útil das baterias de iões de lítio é limitada por processos complexos de envelhecimento, cujas causas são muitas vezes difíceis de distinguir umas das outras. Investigadores do Instituto Federal de Investigação e Ensaios de Materiais (BAM) conseguiram demonstrar que a distribuição de dois isótopos de lítio nas células, tal como uma «impressão digital», está diretamente relacionada com os processos de degradação. Esta relação abre novas possibilidades para compreender melhor os mecanismos de envelhecimento e otimizar as baterias de forma mais específica.
A distribuição dos isótopos 6 e 7 do lítio numa célula deixa uma marca característica e pode servir como ferramenta de diagnóstico para processos de envelhecimento.
BAM
As baterias de iões de lítio são uma tecnologia fundamental para a transição energética. No entanto, apesar dos progressos contínuos em termos de desempenho e vida útil, um problema central permanece por resolver: as células envelhecem a cada ciclo de carga e descarga. A sua capacidade diminui e o desempenho diminui.
Responsáveis por isso estão vários processos complexos no interior da bateria. Até ao momento, o desafio de identificar inequivocamente estes mecanismos de envelhecimento e distingui-los uns dos outros continua por resolver. Embora os métodos de diagnóstico convencionais mostrem que uma bateria está a envelhecer, muitas vezes fornecem apenas informações limitadas sobre quando, onde e por que mecanismo a degradação é desencadeada.
Uma equipa do BAM, liderada por Carlos Abad e Beatrice Battistella, desenvolveu uma nova abordagem, publicada na revista científica ACS Energy Letters. Os investigadores utilizam a distribuição de dois isótopos de lítio numa célula como ferramenta de diagnóstico para os processos de envelhecimento. Os seus traços e padrões característicos fornecem uma «impressão digital» dos mecanismos de degradação subjacentes.
O método tira partido do facto de o lítio natural ser composto pelos dois isótopos: o lítio-6 e o lítio-7, ligeiramente mais pesado. Trata-se de variantes do mesmo elemento químico com um número diferente de neutrões. Nas baterias novas, ambos os isótopos de lítio estão distribuídos tal como em todas as ocorrências naturais deste metal alcalino, ou seja, numa proporção de 2,4 para 97,6 por cento. Concretamente, os investigadores analisaram uma bateria de lítio com um cátodo de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC) e um ânodo de grafite. Já após os primeiros ciclos de carregamento, o lítio-6 acumulou-se preferencialmente no ânodo. Após mais 280 ciclos, este efeito intensificou-se, enquanto a cátodo apresentava teores significativamente mais elevados de lítio-7. Simultaneamente, a capacidade das células diminuiu.
A deteção foi possível graças a uma forma de espectrometria de massa de alta resolução, que permitiu determinar a distribuição dos isótopos de lítio, camada a camada, ao longo de toda a profundidade dos elétrodos. As investigações foram realizadas em colaboração com a Nu Instruments Ltd., no Reino Unido, e com o Instituto Leibniz de Investigação de Materiais e Corpos Sólidos de Dresden (IFW Dresden).
«A distribuição dos isótopos de lítio fornece, assim, informações diretas sobre os processos de envelhecimento nas baterias de iões de lítio. Os isótopos funcionam como marcadores naturais. A sua distribuição mostra-nos como o lítio se move durante o funcionamento da bateria e em que pontos ocorrem alterações», afirma Beatrice Battistella. Os investigadores conseguiram ainda comprovar que estes vestígios estão intimamente relacionados com a perda de capacidade das baterias.
Para Beatrice Battistella e Carlos Abad, a importância dos resultados reside sobretudo nas suas possibilidades de aplicação para medições precisas: em vez de se detetar o envelhecimento apenas pela perda de capacidade, no futuro poderá ser acompanhado muito mais cedo com base nos vestígios que os isótopos de lítio deixam na célula da bateria. Isto permite uma compreensão mais precisa dos mecanismos de envelhecimento e é, em última análise, decisivo para melhorar as baterias de forma mais direcionada e prever com maior precisão a sua vida útil.
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 Alemão pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Beatrice Battistella * ; Adam Revill; Cornel Venzago; Volker Hoffmann; Leonardo Agudo Jácome; Dominik Al-Sabbagh; Sebastian Recknagel; Carlos Abad *; Depth-Resolved Lithium Isotope Fractionation as a Diagnostic of Interphase Evolution and Degradation in Lithium-Ion Batteries; ACS Energy Lett. (2026) 11 (3): 2851–2857.
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