Alumina, a “salvadora” dos materiais para baterias catódicas
A estrutura básica das baterias de iões de lítio abrange o elétrodo positivo, o elétrodo negativo, o eletrólito, o separador e a caixa da bateria. O material do elétrodo positivo é o material central das baterias de iões de lítio, determinando a densidade de energia, a plataforma de tensão, a vida útil e a segurança da bateria.
Atualmente, embora o óxido de lítio-cobalto (LiCoO2), o óxido de lítio-manganês (LiMn2O4), o fosfato de ferro-lítio (LiFePO4) e os materiais ternários (Li-Ni-Co-Mn-O) sejam quatro materiais de elétrodo positivo comercializados para baterias de iões de lítio, apresentam certas deficiências em termos de segurança, desempenho do ciclo, retenção de capacidade e outros aspetos. Para melhorar a estabilidade dos materiais do elétrodo positivo, os investigadores utilizam diferentes métodos de modificação, como a dopagem, o revestimento superficial e dois métodos em comum.
Como é que a alumina melhora o desempenho do elétrodo positivo?
O revestimento de alumina em materiais do elétrodo positivo pode melhorar eficazmente a estabilidade do ciclo, a vida útil e a estabilidade térmica dos materiais do elétrodo positivo. Os principais efeitos do Al2O3 nos materiais de elétrodos positivos são:
(1) Sequestrador de fluoreto de hidrogénio (HF)
O LiPF6 é um eletrólito normalmente utilizado em eletrólitos. Sob alta tensão, o hexafluorofosfato de lítio (LiPF6) reage com vestígios de água para gerar HF.
(2) Barreira de proteção física
Revestir uma camada de Al2O3 na superfície do material do elétrodo positivo pode isolar o material do elétrodo positivo do eletrólito e inibir a ocorrência de reações colaterais prejudiciais entre o material do elétrodo positivo e o eletrólito.
(3) Melhorando a estabilidade térmica dos materiais do elétrodo positivo
A estabilidade térmica é um dos principais fatores na avaliação do desempenho das baterias de iões de lítio. Durante o processo de carga e descarga das baterias de lítio, a libertação de oxigénio reticular no material do elétrodo positivo provocará a oxidação do eletrólito, reduzindo assim a sua estabilidade térmica.
(4) Melhorando a taxa de difusão dos iões de lítio
Embora o óxido de alumínio não seja um bom condutor de eletrões e iões, pode reagir com o lítio residual na superfície do material do elétrodo positivo durante o processo de carga e descarga, gerando LiAlO2, que é um bom condutor de iões e pode aumentar a taxa de difusão dos iões de lítio. Isto ocorre principalmente porque o LiAlO2 reduz a barreira de energia de difusão dos iões de lítio.
(5) Reação com LiPF6 para gerar o aditivo eletrolítico LiPO2F2
O óxido de alumínio revestido na superfície do material do elétrodo positivo pode reagir com o sal de lítio (LiPF6) no eletrólito para gerar difluorofosfato de lítio (LiPO2F2), que é um aditivo eletrolítico estável que pode melhorar significativamente a estabilidade do ciclo, a segurança e o desempenho da taxa do material do elétrodo positivo.
(6) Inibição do Efeito Jahn-Teller
O efeito Jahn-Teller é a principal causa da dissolução dos iões Mn no material do elétrodo positivo, o que pode causar o colapso da estrutura do material do elétrodo positivo e dificultar a difusão dos iões de lítio, resultando na redução do desempenho eletroquímico do material do elétrodo positivo.
Cinco principais tecnologias de revestimento
Método de impregnação: Adicionar o material do elétrodo positivo à solução ou ao sol que contém o precursor de alumínio para formar uma pasta uniforme e, em seguida, secar e calcinar para formar um material do elétrodo positivo revestido de alumina.
Método de precipitação: Misturar o material do elétrodo positivo e uma solução como nitrato de alumínio ou cloreto de alumínio uniformemente, ajustar o valor de pH da solução misturada para formar uma camada de revestimento na superfície do material do elétrodo positivo e, finalmente, gerar um material do elétrodo positivo revestido de alumina através de filtragem, lavagem, secagem e tratamento térmico.
Processo de revestimento a seco: A alumina e os materiais do elétrodo positivo podem ser misturados diretamente para formar uma camada de revestimento rugosa na superfície do material do elétrodo positivo. Embora não seja possível obter um revestimento uniforme na superfície do material do elétrodo positivo, tem ainda assim um efeito positivo na melhoria do desempenho eletroquímico do material do elétrodo positivo.
Método de pulverização catódica: O método de pulverização catódica utiliza iões Ar+ para bombardear o material alvo (Al), de modo a que os átomos de Al sejam pulverizados e depositados na superfície do material do elétrodo positivo.
Tecnologia de deposição de camada atómica (ALD): Utilizando trimetilalumínio e outros materiais como fonte de alumínio, o óxido de alumínio é revestido na superfície do material do elétrodo positivo. A espessura pode ser controlada com precisão, e o aumento da espessura do revestimento é conseguido aumentando o número de ciclos de ALD.