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Reforma de manganês para baterias de íon-lítio

2021-03-26
Reforma de manganês para baterias de íon-lítio

22 de março de 2021 - armazenamento de energia de bateria de íon de lítio armazenamento de energia de íon de lítio
Os cátodos sem cobalto podem combater os problemas de abastecimento usando um dos metais mais baratos disponíveis.
Pesquisadores americanos fizeram uma bateria de íon-lítio que usa manganês como material catódico em vez do tradicional cobalto ou níquel. O trabalho pode oferecer uma alternativa barata e abundante a esses recursos cada vez mais caros e limitados, fornecendo uma maneira de atender à demanda crescente por armazenamento de energia de íons de lítio.

A maioria dos cátodos de baterias de íons de lítio dependem de cobalto ou níquel porque eles mantêm facilmente as estruturas em camadas e ordenadas. Mas em 2014, um grupo do Massachusetts Institute of Technology (MIT) liderado por Gerbrand Ceder mostrou que as baterias de íon-lítio com uma estrutura desordenada poderiam funcionar, desde que fossem ricas em lítio, abrindo a possibilidade de experimentar novos e, possivelmente, melhor, materiais.

Ceder e colegas da Universidade da Califórnia e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, nos Estados Unidos, desenvolveram agora uma bateria de íon-lítio com um cátodo à base de manganês desordenado e mostraram que ela poderia armazenar mais energia do que cobalto ou níquel. “Nossa ideia era que se pudéssemos fazer cátodos onde não nos importamos com camadas, poderíamos usar um espectro muito mais amplo de metais”, diz o autor principal Jinhyuk Lee, do MIT. 'Decidimos ir para o manganês, pois é um dos metais mais baratos disponíveis.'

O manganês já é usado nos cátodos de bateria de íon-lítio em camadas tradicionais, mas como um metal estabilizador com pouco envolvimento no armazenamento de elétrons. Tentativas recentes de fazer catodos puramente de manganês desordenado e outros óxidos de metal foram limitadas porque eles se tornam instáveis ​​e perdem capacidade devido a muita atividade redox de oxigênio quando os íons de lítio se movem do cátodo para o ânodo à base de lítio durante o carregamento.

Para reduzir essa atividade e obter um cátodo de óxido de manganês de alta capacidade, a equipe de Ceder encontrou uma maneira de fazer o manganês trocar dois elétrons, que é o que os cátodos à base de níquel de alta capacidade fazem, em vez de um. Isso envolveu a redução da valência do manganês para Mn2 +, substituindo alguns ânions de oxigênio por ânions de flúor de menor valência, enquanto trocava alguns cátions de manganês por íons de nióbio e titânio de maior valência. Isso significava que a redox dupla de cátions de manganês poderia ocorrer de Mn2 + para Mn4 +, permitindo que uma alta fração de íons de lítio se movesse do cátodo para o ânodo de lítio sem se tornar instável.

“Os resultados de nossa escala de laboratório [teste de ciclo de bateria] mostram densidade de energia bem maior de nossos cátodos (~ 1000 Wh / kg) em comparação com os cátodos existentes (600-700 Wh / kg),” diz Ceder. â € œMas nossos dados nà £ o està £ o em escala comercial, entà £ o outros testes e otimizaçà £ o de nossos materiais devem ser seguidosâ €.

'Enquanto melhorias adicionais na estabilidade do ciclo são necessárias para aplicações práticas, a estratégia relatada é uma grande promessa e permite uma ampla exploração de vários cátions de alta valência', comenta Gleb Yushin, que investiga o armazenamento de energia no Instituto de Tecnologia da Geórgia , NÓS. 'A necessidade de reduzir a tensão da célula para valores muito baixos pode criar uma barreira para aplicações da tecnologia relatada para dispositivos eletrônicos, mas não deve ser um grande negócio para aplicações automotivas.'


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