Pesquisadores da HZB descobriram que a espuma de estanho altamente porosa pode aliviar o estresse mecânico em baterias de íon-lítio, tornando-a uma alternativa promissora aos eletrodos de grafite tradicionais. Eletrodos à base de metal em baterias de íons de lítio têm capacidades mais altas do que os eletrodos de grafite tradicionais. No entanto, eles tendem a degradar-se devido ao estresse mecânico durante os ciclos de carga e descarga.
Pesquisadores do HZB demonstraram que a espuma de estanho altamente porosa pode absorver melhor esse estresse, melhorando assim a estabilidade do eletrodo. Esta descoberta torna a espuma de estanho um material promissor para baterias de íons de lítio.
As baterias tradicionais de íons de lítio normalmente usam eletrodos de grafite multicamadas e contra-eletrodos de óxido de cobalto. Durante os ciclos de carga e descarga, os íons de lítio migram para o grafite com alterações mínimas de volume, mantendo assim a integridade estrutural. No entanto, a grafite tem uma capacidade limitada, o que motiva a procura de materiais alternativos com maior potencial de armazenamento de energia.
Eletrodos à base de metal, como alumínio ou estanho, têm potencial para fornecer capacidades mais altas. Porém, ao absorverem lítio, tendem a se expandir significativamente em volume, o que está associado a alterações estruturais e fadiga do material. O estanho é particularmente atraente porque tem quase três vezes a capacidade por quilograma de grafite e porque não é uma matéria-prima rara, mas está disponível em grandes quantidades. Uma maneira de obter eletrodos metálicos menos "fatigados" é nanoestruturar folhas metálicas finas. Outra abordagem é usar espuma metálica porosa.
Uma equipe de pesquisa do Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) usou imagens operacionais de raios X para estudar vários tipos de eletrodos de estanho durante processos de descarga e carregamento e desenvolveu um método inovador para resolver este problema. Alguns experimentos foram conduzidos no BAMline da BESSYII. As imagens de raios X de alta resolução foram obtidas em colaboração com os especialistas em imagem do HZB, Dr. Nikolai Kardjilov e Dr.
"Isso nos permitiu rastrear as mudanças estruturais do eletrodo à base de estanho metálico estudado durante o processo de carga/descarga", disse o Dr. Bouchra Bouabadi, primeiro autor do estudo. Juntamente com o especialista em baterias Dr. Sebastian Risse, ela explorou as mudanças morfológicas do eletrodo de estanho durante a operação devido à absorção desigual de íons de lítio.
Dr. Francisco Garcia-Moreno criou a melhor versão de um eletrodo de estanho: uma espuma de estanho com inúmeros poros de tamanho micrométrico. "Conseguimos mostrar que o estresse mecânico durante a expansão do volume desta espuma de estanho é significativamente reduzido", disse o Dr. Risse. "Isso torna a espuma de estanho um material interessante para baterias de lítio."
Garcia-Moreno trabalhou em diversas espumas metálicas, inclusive aquelas utilizadas em peças para a indústria automotiva e espumas de alumínio utilizadas em eletrodos de baterias. Ele disse:"A espuma de estanho que desenvolvemos na TU Berlin é altamente porosa e é uma alternativa ideal aos materiais de eletrodo convencionais. A estrutura da espuma de estanho é crucial para minimizar o estresse mecânico. A tecnologia da espuma de estanho também é atraente do ponto de vista econômico: embora a espuma de estanho seja mais cara do que a folha de estanho convencional, ela oferece uma alternativa mais barata às nanoestruturas caras, ao mesmo tempo que é capaz de armazenar mais íons de lítio, aumentando assim a capacidade.
Compilado de /ScitechDaily