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Novo cobalt livre de bateria de lítio-íon reduz os custos, sem sacrificar o desempenho

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17 de julho 2020

Novo cobalt livre de bateria de lítio-íon reduz os custos, sem sacrificar o desempenho

Pesquisadores da Universidade do Texas, em Austin, têm demonstrado uma liga de cobalto-livre, de alta energia, bateria de íon de lítio.

Cobalto minério, extraído do Congo. Crédito: RHJPhtotoandilustration

Por décadas, pesquisadores têm procurado maneiras de eliminar cobalto de alta energia, as baterias que alimentam os aparelhos eletrônicos, devido ao seu alto custo e os direitos humanos ramificações de sua mineração. Mas após tentativas têm sido incapazes de alcançar os padrões de desempenho de baterias com cobalto.

Este mês, no entanto, o Cockrell Escola de Engenharia da Universidade do Texas em Austin (UTA) relatórios, potencialmente, um grande avanço. Uma equipa de investigadores acreditam ter rachado o código para uma liga de cobalto-livre, de alta energia, bateria de íon de lítio – eliminando a necessidade de cobalto e abrindo a porta para a redução dos custos de produção de baterias, enquanto, na verdade, aumentando o desempenho em alguns aspectos.

Chave para esse desenvolvimento é uma nova classe de catodos (o eletrodo em uma bateria onde cobalto normalmente reside), ancorado pelo alto teor de níquel. O cátodo em seu estudo é de 89% de níquel, com manganês e alumínio, tornando-se a outros elementos-chave.

Mais de níquel em uma bateria significa que pode armazenar mais energia. Que o aumento da densidade de energia pode levar a vida mais longa da bateria para um telefone, ou de maior amplitude para um veículo elétrico com cada carga.

Normalmente, o aumento da densidade de energia leva a trade-offs, como um curto ciclo de vida – o número de vezes que a bateria pode ser carregada e descarregada antes de ele perde a eficiência e deixa de ser plenamente exigível. Eliminação de cobalto normalmente atrasa a cinética da resposta de uma bateria, levando a menor taxa de capacidade – como rapidamente o cátodo pode ser carregada ou descarregada. No entanto, os pesquisadores dizem ter superar a curto ciclo de vida e pobres taxa de capacidade de problemas por encontrar uma combinação ideal de metais e garantindo uma distribuição uniforme de seus íons.

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A maioria dos catodos para baterias de íon de lítio usar combinações de íons de metais, como o níquel-manganês-cobalto (NMC) ou níquel-cobalto-alumínio (NCA). Catodos pode fazer até cerca de metade dos custos de material para toda a bateria, com o cobalto sendo os mais caros do elemento. A um preço de aproximadamente us $28,500 por tonelada, é mais caro do que o níquel, manganês e alumínio combinado, e ele faz até 10% a 30% de bateria de íon de lítio cátodos.

“Cobalto é o menos abundante e componente mais caro da bateria catodos”, explica Arumugam Manthiram, professor do Walker, do Departamento de Engenharia Mecânica na UTA e diretor do Texas Materiais do Instituto. “E estamos eliminando completamente a ele.”

Os pesquisadores conseguiram seu avanço, trabalhando no nível atômico. Em síntese, eles foram capazes de garantir os íons dos metais diversos manteve-se uniformemente distribuída em toda a estrutura de cristal no cátodo. Quando estes íons bando se, degrada o desempenho, um problema que tem atormentado anterior cobalto-livre, de alta energia das baterias. Mantendo-se os íons uniformemente distribuída, os pesquisadores evitado a perda de desempenho.

“Nosso objetivo é usar apenas abundantes e acessíveis metais para substituir cobalto, enquanto mantém o desempenho e a segurança”, disse Doutorado, Wangda Li, “e o aproveitamento industrial de síntese de processos que são imediatamente escalável.”

A equipe tem agora formaram uma startup chamada TexPower para trazer a tecnologia para o mercado. Os pesquisadores receberam bolsas do Departamento de Energia dos EUA, que tem buscado diminuir a dependência das importações para chave de bateria materiais. A indústria tem saltou sobre o cobalto-livre do impulso nos últimos anos, nomeadamente a Tesla, que é com o objetivo de eliminar o material de pilhas e baterias que seus veículos elétricos. Com grandes organizações públicas e privadas, as empresas cada vez mais focadas em reduzir a dependência de cobalto, deve ser surpreendente que essa busca tornou-se competitiva. A equipe UTA ter resolvido os problemas que dificultavam tentativas anteriores, usando a combinação certa de materiais e controle preciso da sua distribuição. Este marco pode ajudar a atender o crescimento exponencial da demanda por baterias, que está prestes a se tornar uma tecnologia-chave da década de 2020 e 2030.

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“Estamos aumentando a densidade de energia e reduzindo os custos, sem sacrificar o ciclo de vida”, acrescenta o Professor Manthiram. “Isso significa mais distâncias a percorrer para veículos elétricos e melhor vida útil da bateria para notebooks e celulares.”

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