Materiais de Cátodo Ricos em Níquel de Alto Desempenho para Baterias Avançadas de Estado Sólido

Ilustração esquemática de estratégias para superar cada fator de enfraquecimento de capacidade em ASSBs. Crédito: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01726-8

Pesquisadores de energia estão continuamente explorando novas tecnologias de bateria para avançar a indústria eletrônica. Seu objetivo é desenvolver baterias que carreguem mais rápido, durem mais e ofereçam maior vida útil geral. Entre as opções mais promissoras estão as baterias de estado sólido (ASSBs), que podem atender a essas demandas.

Ao contrário das baterias convencionais de íons de lítio (Li-ion) que usam eletrólitos líquidos, as ASSBs dependem de eletrólitos sólidos. Este design aumenta a segurança, pois os eletrólitos sólidos têm menos probabilidade de pegar fogo e permitem maiores densidades de energia, o que significa que podem armazenar mais energia.

Componentes Chaves 

Um componente-chave dessas baterias é o material ativo do cátodo (CAM), responsável por armazenar e liberar íons de lítio. Materiais em camadas ricos em níquel (Ni) mostraram grande potencial como CAMs, mas também apresentam desafios. Estudos revelaram que os cátodos ricos em Ni contribuem para o enfraquecimento da capacidade, reduzindo a capacidade da bateria de manter uma carga ao longo do tempo. Esse declínio resulta de reações químicas na interface CAM-eletrólito, juntamente com mudanças estruturais como expansão, contração e desintegração de partículas.

Para entender melhor como o conteúdo de Ni afeta a degradação da bateria, pesquisadores da Universidade Hanyang na Coreia do Sul conduziram um estudo publicado na Nature Energy. Seu trabalho levou ao desenvolvimento de cátodos ricos em Ni aprimorados, projetados para melhorar o desempenho e a vida útil dos ASSBs.

“ASSBs com CAMs em camadas ricas em Ni e eletrólitos sólidos de sulfeto têm grande potencial como baterias de próxima geração devido à sua alta densidade de energia e segurança”, escreveram Nam-Yung Park, Han-Uk Lee e sua equipe. “No entanto, ocorre um grave desbotamento da capacidade devido à degradação da superfície na interface CAM-eletrólito e mudanças drásticas no volume da rede, levando ao isolamento da partícula interna e ao desprendimento do CAM do eletrólito.”

Analisando a Degradação: Investigando Cátodos Ricos em Ni com Composições Variadas

Comportamento de formação de trincas em CAMs S-Ni90 e SM-Ni90 no estado carregado. Crédito: Nature Energy (2025). DOI: 10.1038/s41560-025-01726-8

Para identificar e quantificar os fatores que contribuem para a degradação, os pesquisadores sintetizaram quatro tipos de cátodos ricos em Ni com conteúdo de Ni variável (80–95%). Estes incluíam materiais de cátodo Li[NixCoyAl1−x−y]O2 puros, CAMs revestidos de boro, CAMs dopados com Nb e CAMs revestidos de boro e dopados com Nb. Eles então analisaram como cada variação afetava o processo de degradação.

Suas descobertas revelaram que em cátodos com 80% de Ni, a degradação da superfície na interface CAM-eletrólito foi a principal causa do desbotamento da capacidade. No entanto, quando o conteúdo de Ni excedeu 85%, o isolamento da partícula interna e o desprendimento da CAM do eletrólito desempenharam um papel mais significativo.

Usando esses insights, a equipe projetou novos CAMs ricos em Ni com superfícies e estruturas modificadas. Esses materiais apresentavam designs colunares que reduziam o desprendimento de partículas e o isolamento da partícula interna. Quando testados em uma célula completa do tipo bolsa com um eletrodo sem ânodo C/Ag, os cátodos aprimorados mantiveram 80,2% de sua capacidade inicial após 300 ciclos.

Este estudo fornece insights valiosos sobre os desafios dos ASSBs e oferece um caminho para baterias mais duráveis ​​e de alto desempenho. Esses avanços podem acelerar a adoção generalizada de ASSBs, trazendo a tecnologia de bateria de próxima geração para mais perto da realidade.

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