Pesquisadores Descobrem Que ‘Pressão Constante’ Pode Dobrar a Vida Útil das Baterias de Lítio

Durante décadas, os esforços para melhorar o desempenho das baterias de íons de lítio se concentraram em modificar a composição química dos eletrodos, desenvolver novos eletrólitos ou explorar materiais alternativos.

No entanto, uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade de Cambridge demonstrou que a chave para prolongar substancialmente a vida útil dessas baterias pode residir em um fator muito mais simples: a pressão física constante.

O estudo, publicado na prestigiada revista Nature Energy sob o título “The interplay between stack pressure, mechanical expansion and degradation pathways in lithium-ion batteries“, revela que manter uma pressão uniforme e constante sobre as células durante os ciclos de carga e descarga pode dobrar sua vida útil.

Esse nível de melhoria é excepcional no campo do desenvolvimento de baterias, onde as modificações na composição costumam se traduzir em ganhos de apenas 5% a 10%.

Michael De Volder, do Departamento de Engenharia de Cambridge e codiretor da pesquisa, explicou a abordagem de sua equipe: “Grande parte do trabalho para melhorar as baterias de íons de lítio é feito por químicos e físicos, mas, como engenheiro mecânico, também quis investigar o papel que a mecânica desempenha”.

Essa perspectiva interdisciplinar permitiu abordar um problema que havia permanecido em segundo plano: a expansão e contração física que as baterias sofrem durante seu funcionamento.

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O Mecanismo Por Trás da Descoberta

Para compreender o fenômeno, é necessário lembrar que uma bateria de íons de lítio é composta, essencialmente, por um ânodo, um cátodo e um eletrólito. Durante cada ciclo de carga e descarga, os íons de lítio viajam do ânodo para o cátodo e vice-versa, o que faz com que a bateria se expanda e contraia fisicamente, de maneira semelhante a um processo de respiração.

“As baterias geralmente não gostam desse ciclo de estresse e liberação”, observou De Volder. Esse movimento constante gera tensões mecânicas que, com o tempo, aceleram os processos de degradação e encurtam a vida útil do dispositivo.

Para estudar esse efeito, os pesquisadores construíram um dispositivo personalizado que aplica pressão sobre um tipo de célula conhecido como pouch cell (célula de bolsa) utilizando foles pneumáticos – pequenas almofadas infladas com ar que atuam como uma braçadeira autoajustável.

Esses foles mantêm uma pressão contínua enquanto um sensor monitora as minúsculas mudanças de volume que ocorrem durante a carga e descarga.

O mais notável na abordagem de Cambridge é que os pesquisadores não alteraram em nada a química interna das células. “Compramos baterias comerciais e as testamos para medir sua vida útil sob diferentes pressões”, explicou De Volder. “Não tivemos que mudar nada em seu eletrólito nem na composição de seus eletrodos.”

A Zona de Cachinhos Dourados: 12,5 Bares

Uma das descobertas mais relevantes do estudo é que a pressão não pode ser nem muito alta nem muito baixa. Os pesquisadores identificaram uma zona de Cachinhos Dourados em torno de 12,5 bares de pressão constante. Esse valor equivale aproximadamente a quatro vezes a pressão padrão aplicada em células de botão convencionais.

Fora dessa faixa ideal, as baterias falham mais rapidamente. O estudo demonstra que diferentes mecanismos de degradação surgem fora da janela de pressão ótima: pressão baixa acelera a fissuração do cátodo, enquanto pressão alta promove a deposição de lítio metálico no ânodo.

“Se você pressionar com muita força, o ânodo não fica feliz. Se não pressionar o suficiente, o cátodo começa a se degradar”, resumiu De Volder. “Nossos experimentos identificaram qual é o ‘lugar feliz’ para as baterias no que diz respeito à pressão.”

Os resultados obtidos com células de grafite ‖ LiNi₀.₈Mn₀.₁Co₀.₁O₂ (NMC811) – uma química de bateria de grande relevância industrial – confirmam que dobrar a pressão inicial em relação aos valores típicos permite dobrar a vida útil das células sem alterar os materiais ativos nem os eletrólitos.

Implicações Para a Indústria e o Meio Ambiente

As descobertas, embora ainda em fase laboratorial, podem ter implicações importantes para o mercado de veículos elétricos, que experimenta um crescimento acelerado. A capacidade de dobrar a vida útil das baterias não só beneficiaria os proprietários de veículos, mas também teria um impacto significativo no mercado de segunda mão, onde a longevidade da bateria é um fator determinante para a valorização do veículo.

A tecnologia exigirá um processo de escalonamento para sua aplicação em baterias comerciais. No entanto, a Universidade de Cambridge já deu um passo fundamental nessa direção: a Cambridge Enterprise, o escritório de transferência de tecnologia da universidade, depositou uma patente para proteger a invenção.

O estudo sugere que muitas baterias de íons de lítio operam atualmente em condições de pressão subótimas, o que encurta sua vida útil de maneira desnecessária. A otimização da pressão de empilhamento apresenta-se, assim, como uma solução prática para aumentar a estabilidade de ciclo das baterias sem a necessidade de redesenhar sua química interna.

Os pesquisadores identificam que diferentes mecanismos de degradação estão acoplados a fatores mecânicos e eletroquímicos, e que a pressão ótima pode prevenir tanto a fissuração do cátodo quanto a formação de depósitos metálicos no ânodo. Esse conhecimento abre caminho para novos projetos de sistemas de fixação para pacotes de baterias que mantenham a pressão constante ao longo de toda a vida útil do dispositivo.

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