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Uma questão chave com as baterias de iões de lítio é o envelhecimento. Reduz significativamente o seu potencial de armazenamento eléctrico.

Até à data, muito pouco se sabe acerca das causas dos efeitos de envelhecimento. Cientistas do Departamento Técnico de Electroquímica e de Pesquisa da Fonte de Neutrões FRM II na Universidade Técnica de Munique, ficaram agora um passo mais perto de identificar as causas através das suas ultimas experiências.

Baterias de iões de lítio com ânodos de grafite são um desenvolvimento relativamente novo. Foram patenteados somente em 1989 e têm sido usados em aparelhos eléctricos desde 1991. Desde aí, têm sido um sucesso mundial e fazem o seu serviço não só em pequenos aparelhos eléctronicos, mas também em veículos eléctricos, aviões e até locomotivas. De futuro também servirão como armazenamento intermediário, com capacidade de megawates.

Baterias com ânodos de grafite sofrem a sua primeira grande perda de capacidade durante o ciclo de carga inicial, o passo de formação. Uma bateria perde até 10% da sua capacidade neste processo. Cada ciclo de carga-descarga adicional reduz a capacidade de acumular ainda mais, ainda que insignificativamente. A capacidade é também perdida através do mero armazenamento da bateria - especialmente acima de temperaturas médias.

A Física veio com um sem número de ideias acerca da natureza dos efeitos de envelhecimento, mas ainda ninguém encontrou a explicação definitiva para ela. Cientistas da TUM do Departamento de Electroquímica Técnica e do FRM II ficam agora mais perto de ligar a falha de conhecimento,apóa as últimas experiências.

Trabalho de detective usando raios-x e neutrões

Para entendermos o mecanismo de envelhecimento e para descobrir as razões por trás dela, cientistas da TUM ligaram investigações electroquímicas com metodologia de medidas tão diversas como difracção de raio-x, medidas de impedância e análise de activação gama pronta (PGAA).

Eles usaram estas metodologias para analisar o comportamento de baterias com ânodos de grafite e cátodos de níquel-manganésio-cobalto, chamadas células NMC, a várias temperaturas.

Células NMC são populares em mobilidade eléctrica desde que tenham uma grande capacidade e podem teoréticamente lidar com cargas de voltagem até só 5 volts. No entanto, acima de 4,4 volts os efeitos de envelhecimento aumentam significativamente.

Usando difracção por raio-x, os cientistas investigaram a perda de lítio activo ao longo de múltiplos ciclos de carga. Eles usaram medidas de impedância para registar o aumento de resistência em células de bateria. Análises da activação de neutrões facilitaram ultimamente a determinação exacta de quantidades extremamente diminutas de metais de transição nos eléctrodos de grafite.

Mecanismos de redução de actividade

A perda significativa de capacidade na formação é causada pela construção de uma pacificadora camada do ânodo. Isto consome o lítio activo, mas também protege o electrólito da decomposição do ânodo.

O grupo de pesquisa determinou dois mecanismos chave para a perda de capacidade a operar: o lítio activo na célula é lentamente usado em várias reacções laterais e assim deixa de estar disponível. O processo é muito dependente da temperatura: a 25ºC o efeito é relativamente fraco, mas torna-se muito forte a 60ºC.

Ao carregar e descarregar as células com um corte superior potencial (4,6 V), a resistência da célula aumenta rapidamente. Os metais de transição depositados sobre o ânodo pode aumentar a condutividade da camada de pacificação e, assim, acelerar a decomposição do electrólito.

No caminho para melhores baterias de iões de lítio

Através de tentativa e erro, fabricantes de baterias determinaram que a melhor relação entre o material de eléctrodo e lítio. 'Através da nossa melhor compreensão, processos individuais podem ser melhorados,' diz Irmgard Buchberger, estudante de PhD do Departamento de Electroquímica naTU de Munich. 'As possibilidade incluem aditivos que melhoram a contrução de uma camada que pacifique, por exemplo, ou modificações da superfície do cátodo.'