A Universidade de Oxford liderará um novo projeto de £ 3 milhões para desenvolver novos materiais catódicos para futuras baterias de íons de lítio. Isso poderá gerar uma série de melhorias, incluindo melhor desempenho da bateria, maior densidade energética, redução de custos e menor impacto ambiental. Em última análise, isso poderá impulsionar significativamente o progresso rumo ao Net Zero, aumentando o alcance e a potência disponíveis para veículos elétricos.

Este novo projeto faz parte de um grande investimento da Faraday Institution – o instituto independente do Reino Unido para pesquisa em armazenamento de energia eletroquímica. O projeto 3D-CAT reunirá pesquisadores da Universidade de Oxford e da UCL, além de parceiros da indústria, para abordar diretamente um desafio fundamental da indústria. Especificamente, seu objetivo é desenvolver materiais de cátodo de bateria de lítio viáveis que não necessitem de cobalto e níquel – ambos caros e associados a preocupações ambientais e de cadeia de suprimentos.

Fortes candidatos existentes incluem cátodos de fosfato de ferro-lítio e fosfato de ferro-lítio-manganês, porém estes apresentam densidades de energia mais baixas do que os cátodos que utilizam cobalto e níquel. Há uma necessidade urgente de desenvolver novos materiais catódicos que possam igualar o desempenho dos cátodos à base de cobalto e níquel sem exigir precursores caros e geograficamente concentrados ou processos de produção impraticáveis. O projeto 3D-CAT abordará essa questão, progredindo do projeto de primeiros princípios até a síntese de protótipos e a validação em sistemas de teste.

Uma direção particularmente promissora são os sais de rocha desordenados ricos em lítio, onde átomos de lítio e metais de transição são dispostos em uma estrutura cristalina desordenada de sal-gema. Esses materiais podem atingir altas densidades de energia, mas, até o momento, apresentam baixo desempenho de taxa (a rapidez com que uma bateria pode carregar e descarregar) e outras desvantagens. Geralmente, também são produzidos por moagem de esferas, um método que consome muita energia e não pode ser facilmente escalonado.

Um trabalho recente liderado pelo projeto CATMAT da instituição Faraday (coordenado pelo Professor Saiful Islam, do Departamento de Materiais) e outros revelou que a introdução da ordenação parcial de átomos de lítio e metais de transição nesses materiais pode melhorar drasticamente o transporte de íons de lítio. Essa descoberta abre caminho para uma nova classe de materiais catódicos tridimensionais (3DC) ricos em lítio que combinam alto desempenho com fabricação escalável e energeticamente eficiente.

Nos próximos três anos, o 3D-CAT trabalhará para desenvolver uma compreensão abrangente de como a ordenação local em cátodos 3DC ricos em lítio pode ser otimizada para maximizar o transporte e a capacidade de taxa de íons de lítio, incluindo o impacto de diferentes tamanhos e morfologias de partículas. Explorando as instalações de pesquisa de classe mundial de Oxford no Centro de Pesquisa de Materiais Energéticos (CEMR) e no Laboratório de Modelagem de Materiais (MML), a equipe desenvolverá gerações sucessivas de materiais catódicos protótipos e validará seu desempenho em sistemas de teste.

Paralelamente a isso, a equipe desenvolverá rotas de síntese sustentáveis, de baixo custo e com eficiência energética para esses novos materiais e investigará como revestimentos condutores podem melhorar a capacidade de taxa e o desempenho a longo prazo.

O Professor Robert House (Departamento de Materiais), Pesquisador Principal do 3D-CAT, afirmou: "O 3D-CAT é uma oportunidade empolgante para desenvolver novos materiais inovadores de cátodo de íons de lítio para apoiar a indústria britânica de baterias. Estou muito satisfeito em contar com o apoio da Instituição Faraday e de nossos parceiros especialistas da indústria para concretizar nossa visão."

O 3D-CAT envolve diversos parceiros da indústria que estão em posição única para apoiar diferentes etapas do processo de desenvolvimento e comercialização de materiais, garantindo que o projeto esteja alinhado às necessidades da indústria. Entre os parceiros, está o Centro de Inovação de Processos (CPI), onde especialistas da  unidade de escalonamento de baterias de materiais da AMBIC  ajudarão a equipe a desenvolver uma rota de síntese adequada para produção em larga escala.

Além do 3D-CAT e do CATMAT, a Universidade de Oxford também lidera outros quatro projetos emblemáticos da Instituição Faraday em pesquisa de baterias: Nextrode (liderado pelo Professor Patrick Grant , Departamento de Materiais), SafeBATT (liderado pelo Professor Paul Shearing , Departamento de Ciências da Engenharia), SOLBAT (liderado pelo Professor Mauro Pasta , Departamento de Materiais) e LiSTAR (liderado pelo Professor Paul Shearing, Departamento de Ciências da Engenharia). Oxford também é parceira em vários outros projetos Faraday.

O Professor Jim Naismith , Chefe da Divisão de Ciências Matemáticas, Físicas e Biológicas, afirmou: "Oxford orgulha-se de liderar o desenvolvimento da próxima geração de materiais para baterias. Este projeto reúne mentes brilhantes, ciência de ponta e fortes parcerias com a indústria para enfrentar um dos desafios mais urgentes da atualidade: como armazenar energia de forma barata e eficiente. É um ótimo exemplo de como a pesquisa de alto nível em nossa Divisão está gerando benefícios reais para todos e para a economia do Reino Unido."

Mais informações sobre o 3D-CAT podem ser encontradas no site do projeto .