Baterias de armazenamento de alta energia para veículos elétricos precisam de cátodos de bateria de alta capacidade. Espera-se que novos cátodos ricos em magnésio com excesso de lítio substituam os cátodos ricos em níquel existentes, mas entender como o magnésio e o oxigênio acomodam o armazenamento de carga em altas tensões é fundamental para sua adaptação bem-sucedida. Pesquisa liderada por WMG, University of Warwick em colaboração com pesquisadores dos EUA empregou uma série de estudos de raios-X para determinar que os íons de oxigênio estão facilitando o armazenamento de carga em vez dos íons de magnésio.
Os veículos elétricos um dia dominarão as estradas e serão essenciais para eliminar as emissões de CO2, mas um dos principais problemas que os fabricantes de automóveis enfrentam é como fazer uma bateria densa de energia de longa duração e acessível que possa ser carregada com rapidez e eficiência. Portanto, há uma corrida para fazer baterias de veículos elétricos com uma meta de armazenamento de energia de 500 Wh/Kg, mas essas metas não são possíveis sem a mudança para novos materiais de cátodo.
Embora o progresso tenha continuado nos últimos 10 anos para impulsionar o desempenho de catodos ricos em níquel de última geração para veículos elétricos, o material é incapaz de fornecer a densidade de energia necessária. Para aumentar a capacidade, mais lítio precisa ser usado, o que significa ir além da capacidade do níquel de armazenar carga de elétrons.
Os cátodos ricos em magnésio com excesso de lítio oferecem densidade de energia suficiente, mas para atingir finalmente as metas de armazenamento de energia de 500 Wh/Kg, precisamos entender como a carga de elétrons é armazenada no material. Simplificando, é a carga de elétrons armazenada nos locais de magnésio ou oxigênio.
No artigo, “Onde a oxidação de Mn em catodos de excesso de alcalinos ricos em Mn?”, Publicado no Journal ACS Energy Letters, pesquisadores da WMG e da University of Warwick superaram um marco significativo na compreensão do armazenamento de carga em cátodos ricos em magnésio com excesso de lítio.
Compostos com excesso de lítio que envolvem redox convencionais e não convencionais, convencional se refere a íons metálicos que mudam sua densidade eletrônica. Alterar reversivelmente a densidade do elétron no oxigênio (ou oxigênio redox) sem que ele forme o gás O2 é um redox não convencional. Vários modelos computacionais existem na literatura descrevendo diferentes mecanismos envolvendo ambos, mas estudos de raios-X cuidadosos realizados enquanto a bateria está em ciclo (operando) são necessários para validar esses modelos.
Pesquisadores entre o Reino Unido e os EUA, liderados por WMG na Universidade de Warwick, realizaram estudos de raio-X operando para quantificar com precisão as espécies de magnésio e oxigênio em altas tensões. Eles demonstraram como os feixes de raios-X podem conduzir irreversivelmente magnésio altamente oxidado (Mn7 +) para o gás O2 aprisionado irreversivelmente em outros materiais.
No entanto, realizando estudos cuidadosos de raio-X que contornaram os danos do feixe e observaram apenas traços de Mn7 + formados ao carregar em cátodos com excesso de Li durante o ciclo da bateria.
O professor Louis Piper, da WMG, University of Warwick, explica: “No final das contas, resolvemos que o oxigênio, em vez do redox de metal, está impulsionando a capacidade mais alta, o que significa que agora podemos projetar estratégias melhores para melhorar o ciclismo e o desempenho dessa classe de materiais.”
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