Desenvolvendo as baterias que conduzirão o futuro

No Laboratório de Materiais para Baterias de Amagasaki, no Japão, os pesquisadores da BASF estão desenvolvendo materiais inovadores que melhorarão o desempenho da bateria de íons-lítio e aumentarão a distância que os carros elétricos podem dirigir (autonomia do veículo).

Segunda feira, 9 da manhã: Dr. Masaki Sekine, um químico orgânico, senta-se em frente ao computador e lê os e-mails que recebeu dos colegas com os quais está colaborando na Alemanha e em outros pontos da rede internacional da BASF para Pesquisa & Desenvolvimento de materiais para baterias. Sekine trabalha no mais novo elemento dessa rede, o Laboratório de Materiais para Baterias em Amagasaki, Japão, inaugurado no início de 2014. Eles está esperando o parecer dos colegas sobre seus esforços para criar “uma molécula totalmente nova que nunca existiu.”

Sekine faz parte da equipe que sintetiza substâncias inovadoras para uso como aditivos em eletrólitos, o meio químico que permite o fluxo dos íons-lítio entre o eletrodo positivo, o cátodo, e o eletrodo negativo, o ânodo. Os novos aditivos influenciam as reações eletroquímicas na bateria e pode, dessa forma, afetar o desempenho da bateria.

Os tipos de aditivos que Sekine cria depende dos aspetos que os clientes querem melhorar em suas baterias. Muitos dos clientes do Laboratório são fabricantes japoneses de baterias de íon-lítio que estão desenvolvendo novas baterias para veículos elétricos. Eles estão procurando melhorias em densidade de potência, maior estabilidade em altas temperaturas ou aumento do desempenho de ciclo, que significa o número de cargas e descargas possíveis.

Para criar um novo aditivo, ele usa um processo de síntese orgânica. A síntese do aditivo acontece em um solvente. Esse solvente precisa ser separado depois de uma reação bem-sucedida.

“A purificação do aditivo é uma parte desafiadora do processo” afirma Sekine. “Em muitos casos, as coisas não correm como planejado. E na maioria dos casos uma única purificação não permite atingir uma pureza suficiente para satisfazer as rigorosas especificações para aditivos de bateria. Até mesmo uma impureza mínima pode levar a reações descontroladas e pode prejudicar o desempenho da bateria de maneira significativa, causando por exemplo um aumento do risco de a bateria descarregar quando não estiver em uso. ”

Trabalhar em uma rede global é estimulante e ajuda as equipes a encontrar soluções rapidamente. “Teve uma vez em que eu estava empacado com uma síntese”, lembra Sekine. “Teoricamente, vários caminhos de síntese estavam disponíveis, mas eu não conseguia fazer funcionar. Então, um colega da Alemanha entrou em contato comigo e sugeriu uma alternativa catalítica que foi muito mais eficiente”. Esse tipo de resposta e colaboração abertas são o ponto chave. É por isso que o próximo passo para Sekine seria discutir os resultados obtidos com o grupo de testes eletroquímicos do laboratório.

Testando 1, 2, 3, 4...

Um dos membros deste grupo de testes é a Dr. Zhen-Ji Han, que trabalha em Yanji, China, e se juntou à equipe em 2013. Ela ajuda a desenvolver formulações de eletrólitos e conduz testes eletroquímicos para baterias usando materiais de ânodos de última geração. A função dela é testar os últimos aditivos sintetizados.

Ela leva o novo aditivo para a sala de Montagem de Células onde, vestida com um macacão e óculos de segurança, ela mistura o aditivo à um eletrólito base preparado e então injeta a solução em uma das células de teste. Isso lhe permite examinar as propriedades eletroquímicas da célula. O desempenho da bateria se deteriora com o uso e também com o decorrer do tempo. Cada um destes aspectos (desempenho, vida útil e ciclo de longevidade) têm que ser testados. Para testar o ciclo de longevidade, a célula é colocada em um ciclador, em que é carregada e descarregada repetidas vezes, por um período de semanas ou meses. Han discute seus achados com o grupo de síntese. “Como sabemos mais sobre as interações químicas da bateria, nós podemos orientar os sintetizadores sobre quais partes dos aditivos estão funcionando bem ou mal, e como melhor redesenhar suas estruturas moleculares, ” ela afirma.

“Nossa especialidade no desenvolvimento de materiais de cátodo e eletrólitos e nossa capacidade de trabalhar juntos como uma só equipe nos diferencia. ”

Dr. Martin Schulz-Dobrick, Chefe do Laboratório de Materiais para Baterias Amagasaki, Japão

Atendendo diferentes necessidades

Uma grande parte do trabalho realizado no laboratório é personalizado para exigências do cliente. É aqui que entra Hiromu Sugiyama. Este pesquisador experiente em desenvolvimento de cátodos trabalha diretamente com os clientes para ajudá-los a atingir suas metas de desempenho. Isso envolve verificar os dados de testes com materiais de cátodos para ver se o conteúdo de metal de transição é adequado para as metas de desempenho, ou descobrir se o tamanho e o formato das partículas de um determinado material irão melhorar ou prejudicar a meta de desempenho.

“Nós sempre temos que considerar como o cátodo interage com os outros componentes da bateria, ” explica Sugiyama, que entrou para equipe em 2014. “Então testar e analisar significa trabalhar em proximidade com outras equipes de pesquisa. ”

 Todos sob o mesmo teto

“O laboratório Amagasaki é especial de diversas formas, ” diz Dr. Martin Schulz-Dobrick, chefe das instalações. “Esse laboratório é a primeira instalação da BASF na região da Ásia-Pacífico que combina o desenvolvimento de materiais de cátodos, eletrodos e materiais de eletrólitos com aplicação tecnológica. Nós não apenas conduzimos pesquisa básica sobre esses materiais começando do zero, mas também para apoiar nossos clientes na criação dos protótipos de baterias. ” Um exemplo da aplicação em uma necessidade específica do cliente é o desenvolvimento conjunto de uma receita de eletrólito. “Nós estamos criando e construindo baterias de teste conjuntamente, que nos permita testar nossos materiais sob condições similares às de necessidades de nossos clientes e portanto a velocidade do desenvolvimento como um todo aumenta, ” explica o chefe do laboratório.

Além disso, o laboratório conjuga as diferentes áreas de pesquisa sob o mesmo teto. “Essa é a grande vantagem do nosso laboratório, ” diz Schulz-Dobrick, que foi transferido da sede da BASF na Alemanha para o Japão em 2013. “Nossa especialidade no desenvolvimento de materiais de cátodos e eletrólitos e nossa habilidade de trabalhar juntos como uma só equipe nos diferencia de outros fornecedores, que geralmente conseguem fornecer aos fabricantes de bateria materiais de eletrólitos ou cátodos, mas não os dois. Nós somos especializados em ambos. ”

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