Eletrodo de bateria inovador feito de espuma de estanho

Eletrodos metálicos em baterias de íons de lítio prometem capacidades significativamente maiores do que eletrodos de grafite convencionais. Infelizmente, eles se degradam devido ao estresse mecânico durante os ciclos de carga e descarga. Agora, uma equipe da HZB mostrou que uma espuma altamente porosa feita de estanho pode absorver muito melhor o estresse mecânico durante os ciclos de carga. Isso torna as espumas de estanho interessantes como um material potencial para baterias de lítio.

As baterias modernas de íons de lítio geralmente usam um eletrodo de grafite multicamadas, enquanto o contraeletrodo geralmente é feito de óxido de cobalto. Durante o carregamento e o descarregamento, os íons de lítio migram para o grafite sem causar alterações significativas de volume no material. Entretanto, a capacidade do grafite é limitada, o que torna a busca por materiais alternativos uma área de pesquisa estimulante. Eletrodos à base de metal, como os feitos de alumínio ou estanho, oferecem potencialmente maior capacidade. Entretanto, quando o lítio é absorvido, eles tendem a se expandir significativamente em volume, o que está associado a mudanças estruturais e fadiga do material.

Uma opção para criar eletrodos metálicos que se cansam menos rapidamente é a nanoestruturação de finas folhas metálicas. Outra opção é o uso de espumas metálicas porosas. Como metal, o estanho é particularmente atraente porque tem uma capacidade por quilo quase três vezes maior que a do grafite e não é uma matéria-prima rara, mas está disponível em abundância.

Uma equipe de pesquisa do Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) investigou diferentes tipos de eletrodos de estanho durante o processo de descarga e carga usando imagens de raios X operando e desenvolveu uma abordagem inovadora para resolver esse problema. Parte dessas investigações ocorreu na BAMline em BESSY II. Além disso, imagens radioscópicas de alta resolução foram tiradas em colaboração com os especialistas em imagem Dr. Nikolai Kardjilov e Dr. André Hilger no HZB. “Dessa forma, conseguimos rastrear as mudanças estruturais nos eletrodos baseados em Sn-metal estudados durante os processos de carga/descarga”, diz o Dr. Bouchra Bouabadi, que conduziu o estudo experimental. Em colaboração com o especialista em baterias Dr. Sebastian Risse mostra como a morfologia dos eletrodos de estanho muda durante a operação devido à absorção não homogênea de íons de lítio.

A melhor versão do eletrodo de estanho foi feita pelo Dr. Francisco Garcia-Moreno: Uma espuma feita de estanho com inúmeros poros de tamanho micrométrico. “Conseguimos mostrar que em tal espuma de estanho, ocorre significativamente menos estresse mecânico durante a expansão de volume”, diz o Dr. rachaduras. Isso torna as espumas de estanho interessantes como um material potencial para baterias de lítio.

Garcia-Moreno já investigou inúmeras espumas metálicas, incluindo aquelas para componentes na indústria automotiva e espumas de alumínio para eletrodos de bateria. “As espumas de estanho que desenvolvemos na TU Berlin são altamente porosas e uma alternativa interessante aos materiais de eletrodos tradicionais”, diz ele. A estruturação de espumas de estanho é crucial para maximizar a redução do estresse mecânico. A tecnologia de espuma de estanho também pode ser interessante do ponto de vista econômico: "Embora a espuma de estanho seja mais cara do que o papel alumínio convencional, ela oferece uma alternativa mais econômica à nanoestruturação cara, ao mesmo tempo em que consegue armazenar significativamente mais íons de lítio, permitindo assim um aumento na capacidade."