As baterias de íons de lítio há muito dominam o mercado como fonte de energia para veículos elétricos. Elas também estão sendo cada vez mais consideradas para armazenamento de energia renovável a ser usada na rede elétrica. No entanto, com a rápida expansão desse mercado, a escassez de fornecimento de lítio é projetada para os próximos cinco a 10 anos.

"As baterias de íons de sódio estão surgindo como uma alternativa atraente às baterias de íons de lítio devido à maior abundância e ao menor custo do sódio", disse Gui-Liang Xu, químico do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

Até o momento, houve um sério obstáculo à comercialização dessas baterias. Em particular, o desempenho do cátodo contendo sódio declina rapidamente com descarga e carga repetidas.

Uma equipe da Argonne fez avanços importantes na resolução desse problema com um novo design para um cátodo de óxido de íons de sódio. Ele é baseado em um design anterior da Argonne para um cátodo de óxido de íons de lítio com capacidade comprovada de armazenamento de alta energia e longa vida útil. A pesquisa foi publicada no periódico Nature Nanotechnology .

Uma característica fundamental de ambos os designs é que as partículas microscópicas do cátodo contêm uma mistura de metais de transição, que podem incluir níquel, cobalto, ferro ou manganês. É importante ressaltar que esses metais não são distribuídos uniformemente em partículas individuais do cátodo. Como exemplo, o níquel aparece no núcleo; ao redor desse núcleo estão cobalto e manganês, que formam uma casca.

Esses elementos servem a propósitos diferentes. A superfície rica em manganês dá à partícula sua estabilidade estrutural durante o ciclo de carga-descarga. O núcleo rico em níquel fornece alta capacidade de armazenamento de energia.

Ao testar esse design, no entanto, a capacidade de armazenamento de energia do cátodo declinou constantemente durante o ciclo. O problema foi rastreado até a formação de rachaduras nas partículas durante o ciclo. Essas rachaduras se formaram devido à tensão surgindo entre a casca e o núcleo nas partículas. A equipe procurou eliminar essa tensão antes do ciclo, ajustando seu método de preparação do cátodo.

O material precursor usado para iniciar o processo de síntese é um hidróxido. Além de oxigênio e hidrogênio, ele contém três metais: níquel, cobalto e manganês. A equipe fez duas versões desse hidróxido: uma com os metais distribuídos em um gradiente do núcleo para a casca e, para comparação, outra com os três metais distribuídos uniformemente por cada partícula.

Para formar o produto final, a equipe aqueceu uma mistura de um material precursor e hidróxido de sódio a até 600°C, manteve-a nessa temperatura por um período selecionado e, então, resfriou-a até a temperatura ambiente. Eles também tentaram diferentes taxas de aquecimento.

Durante todo esse tratamento, a equipe monitorou as mudanças estruturais nas propriedades das partículas. Essa análise envolveu o uso de duas instalações de usuários do DOE Office of Science: a Advanced Photon Source (linhas de luz 17-BM e 11-ID) em Argonne e a National Synchrotron Light Source II (linha de luz 18-ID) no Brookhaven National Laboratory do DOE.

"Com os feixes de raios X nessas instalações, pudemos determinar mudanças em tempo real na composição e estrutura das partículas sob condições de síntese realistas", disse o cientista da linha de luz Argonne, Wenqian Xu.

A equipe também usou o Center for Nanoscale Materials (CNM) em Argonne para análise adicional para caracterizar as partículas e o supercomputador Polaris no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) para reconstruir os dados de raios X em imagens 3D detalhadas. O CNM e o ALCF também são instalações de usuários do DOE Office of Science.

Os resultados iniciais não revelaram rachaduras nas partículas uniformes, mas rachaduras se formando nas partículas de gradiente em temperaturas tão baixas quanto 250°C. Essas rachaduras apareceram no núcleo e no limite núcleo-casca e então se moveram para a superfície. Claramente, o gradiente de metal causou tensão significativa, levando a essas rachaduras.

"Como sabemos que as partículas de gradiente podem produzir cátodos com alta capacidade de armazenamento de energia, queríamos encontrar condições de tratamento térmico que eliminassem as rachaduras nas partículas de gradiente", disse Wenhua Zuo, nomeado para o programa de pós-doutorado de Argonne.

A taxa de aquecimento provou ser um fator crítico. Rachaduras se formaram a uma taxa de aquecimento de cinco graus por minuto, mas não a uma taxa mais lenta de um grau por minuto. Testes em pequenas células com partículas de cátodo preparadas na taxa mais lenta mantiveram seu alto desempenho por mais de 400 ciclos.

"Prevenir rachaduras durante a síntese do cátodo paga grandes dividendos quando o cátodo é posteriormente carregado e descarregado", disse Gui-Liang Xu. "E embora as baterias de íons de sódio ainda não tenham densidade de energia suficiente para alimentar veículos em longas distâncias, elas são ideais para direção urbana."

A equipe agora está trabalhando para eliminar o níquel do cátodo, o que reduziria ainda mais o custo e seria mais sustentável.

"As perspectivas parecem muito boas para futuras baterias de íons de sódio, não apenas com baixo custo e longa vida útil, mas também com densidade de energia comparável à do cátodo de fosfato de ferro-lítio, agora em muitas baterias de íons de lítio", disse Khalil Amine, um Argonne Distinguished Fellow. "Isso resultaria em veículos elétricos mais sustentáveis com boa autonomia de direção."