Os pesquisadores da Universidade de Michigan desenvolveram uma bateria de íons de lítio (LIB) para veículos elétricos (EV) que pode ser totalmente carregada em apenas 10 minutos, mesmo em temperaturas tão baixas quanto -10 °C.
A nova tecnologia já foi licenciada e será comercializada pela empresa Arbor Battery Innovations, do Estado de Michigan.
O Dr. Andrew Davis, diretor-executivo da Arbor, disse: "É uma recarga rápida sem compromisso. Não pediremos aos fabricantes de baterias que alterem a composição química ou reconfiguurem a produção. A Arbor é compatível com as fábricas de baterias atuais e oferece o desempenho necessário para o futuro".
Atualmente, as baterias de veículos elétricos armazenam e liberam energia movendo íons de lítio entre os eletrodos por meio de eletrólitos líquidos; no entanto, em baixas temperaturas, essa movimentação se torna mais lenta, afetando a recarga. Para resolver esse problema, os fabricantes de automóveis aumentam a espessura dos eletrodos usados nas células da bateria. No entanto, isso também traz uma desvantagem, resultando em tempos de recarga mais lentos.
Para resolver esse problema, estudos anteriores sugeriram a criação de eletrodos padronizados com laser de alta ordem (HOLE), compostos por arranjos de canais verticais. Esses podem servir como caminhos lineares para a rápida transferência de íons para o eletrodo principal, acelerando significativamente a velocidade de recarga em temperatura ambiente. No entanto, devido ao depósito de lítio, ou seja, a deposição indesejada de lítio metálico na superfície do ânodo, isso não é possível em ambientes frios.
A equipe de pesquisa disse: "O depósito de lítio está cada vez mais se tornando uma importante causa de perda de capacidade e queda no desempenho da bateria. Do ponto de vista termodinâmico, o depósito de lítio ocorre quando o potencial do eletrodo negativo fica abaixo de 0 V vs. Li/Li+, embora também existam barreiras cinéticas para a nucleação do lítio. Além disso, a heterogeneidade espacial da densidade de corrente local (seja através da espessura do eletrodo ou no plano xy) desempenha um importante papel no início do depósito de lítio".
Neil Dasgupta, professor adjunto de engenharia mecânica e engenharia de materiais e ciências da Universidade de Michigan e autor correspondente dessa pesquisa, comparou esse comportamento com a manteiga. "Você pode cortar a manteiga com uma faca, seja quente ou fria, mas é muito mais difícil cortá-la quando está fria", disse ele. "Se você tentar recarregar rapidamente através dessa camada, o lítio metálico se acumulará no ânodo como um engarrafamento de tráfico".
Para evitar a formação da camada superficial, os pesquisadores cobriram a bateria com uma camada de material vítreo com 20 nanômetros de espessura. O revestimento é um eletrólito sólido vítreo condutor de íons únicos (Li₃BO₃-Li₂CO₃), chamado LBCO, aplicado em células de bateria em saco industrialmente relevantes (3,2 mAh/cm²) por meio da deposição em camada atômica (ALD). A equipe comparou quatro tipos de baterias: controle, HOLE isolado, LBCO isolado e mistura LBCO-HOLE.
Os cientistas disseram: "Em uma temperatura de -10 °C, os eletrodos submetidos ao tratamento cooperativo LBCO-HOLE alcançaram taxas de retenção de capacidade de >92% e >97% em 100 ciclos de carga nas taxas de 4C (15 minutos) e 6C (10 minutos), respectivamente". "Em comparação, devido ao grave depósito de lítio, a capacidade dos ânodos de controle não revestidos e do HOLE caiu drasticamente abaixo de 50% após o primeiro ciclo de carga rápida em -10 °C".
A análise mostrou que as baterias de grafite não revestidas retêm menos de 20% da capacidade disponível (flutuação do estado de carga ou SoC) após 20 ciclos. Em comparação, as baterias LBCO-HOLE mantêm cerca de 70% de SoC após 15 minutos na taxa de 4C e cerca de 55% após 10 minutos na taxa de 6C. Os pesquisadores concluíram que isso aumenta a capacidade de taxa mais de 400% em 4C e mais de 500% em 6C.
Essa nova bateria foi descrita em um artigo publicado na revista Joule, intitulado "Rápida carga de 6C em baterias de íons de lítio abaixo de zero grau por meio da engenharia de interface e arquitetura 3D".
