Um novo estudo da Universidade Estadual da Carolina do Norte, realizado em colaboração com pesquisadores de teste de bateria do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA, mostra que pulsos extremamente curtos de um laser de alta potência podem causar pequenos defeitos em materiais de bateria de íon-lítio – defeitos que podem melhorar o desempenho da bateria.
A técnica, chamada recozimento de laser pulsado de nanossegundos, dura apenas 100 nanossegundos e é gerada pelo mesmo tipo de laser usado em cirurgias oftalmológicas modernas. Os pesquisadores testaram a técnica em grafite, material amplamente utilizado em ânodos de baterias de íon-lítio, ou eletrodos positivos. Eles testaram a técnica em lotes de 10 pulsos e 80 pulsos e compararam as diferenças na capacidade de corrente; A potência é calculada multiplicando a tensão pela corrente.
As baterias de íons de lítio são amplamente utilizadas em dispositivos eletrônicos portáteis e carros elétricos. Com melhorias adicionais, essas baterias podem ter um grande impacto no transporte e como dispositivos de armazenamento para fontes de energia renováveis, como eólica e solar.
O estudo mostrou uma série de resultados interessantes, disse Jay Narayan, o John C. Fan Family Distinguished Chair em Ciência de Materiais na Carolina do Norte e autor correspondente de um artigo que descreve o trabalho. Narayan foi pioneiro no uso de lasers para criar e manipular defeitos em semicondutores em um trabalho de mais de quatro décadas.
“Defeitos materiais podem ser um incômodo, mas se você os projetar corretamente, poderá torná-los uma vantagem”, disse ele. “Essa técnica abre a porta, por assim dizer, para íons de lítio, aumentando a capacidade de corrente. Ânodos de grafite consistem em degraus e ranhuras na superfície – criar mais degraus é como criar mais portas para os íons de lítio entrarem e entrarem fora, o que é benéfico.
“A técnica também cria defeitos chamados vacâncias, que são átomos ausentes, e isso ajuda a fornecer mais locais para os íons de lítio irem e virem, o que está relacionado à capacidade atual”.
A capacidade de corrente aumentou 20% quando o número ideal de pulsos foi usado, que estava mais próximo de 10 do que de 80 pulsos.
O estudo também mostrou, porém, que muito de uma coisa boa pode ser uma coisa ruim, pois muitos defeitos nos ânodos de grafite podem levar a problemas.
“O íon de lítio tem uma carga positiva, então, se ele captura um elétron, torna-se lítio metálico, e você não quer isso”, disse Narayan. “O metal de lítio atira minúsculos dendritos de fio do ânodo de grafite e pode causar um incêndio. Portanto, você quer ter certeza de que um íon de lítio não se torne um metal.”
Narayan disse que os fabricantes devem ter a capacidade de usar recozimento a laser de pulso de nanossegundo ao produzir anodos e catodos, os outros eletrodos contidos em baterias.
“Esses lasers de alta potência existem e você pode tratar ânodos e cátodos em um microssegundo”, disse Narayan. “Os cátodos ou ânodos são feitos em chapa, o que torna o tratamento relativamente rápido e fácil.”
Narayan e colegas da Universidade do Texas-Austin publicaram recentemente outro artigo que usou a mesma técnica de laser em materiais catódicos. Publicado na ACS Applied Materials and Interfaces, esse estudo mostrou materiais catódicos aprimorados com tratamento a laser.
“Em seguida, estamos tentando eliminar a necessidade de usar materiais mais caros, como cobalto em cátodos de bateria, a fim de produzir baterias de maior potência e maior durabilidade”, disse Narayan.
O estudo aparece em Carbono. Roger Narayan, Distinguished Professor de Engenharia Biomédica na NC State, foi co-autor do artigo junto com a primeira autora Nayna Khosla, uma estudante de pós-graduação da NC State. Xiao-Guang Sun e M. Parans Paranthaman, do Oak Ridge National Laboratory, também foram co-autores do artigo. O financiamento foi fornecido pela National Science Foundation sob a concessão DMR-2016256. A pesquisa de teste de bateria no ORNL foi apoiada pelo Departamento de Energia dos EUA, Escritório de Ciências, Escritório de Ciências Básicas de Energia, Ciências de Materiais e Divisão de Engenharia sob o contrato número DE-AC05-00OR22725. Este trabalho foi realizado em parte no Analytical Instrumentation Facility da NC State.
Com informações de Science Daily.