Novas pesquisas descrevem a evolução dos átomos nanoestruturais de lítio (azul) depositados em um eletrodo (amarelo) durante a operação de carregamento da bateria. Crédito: Universidade da Califórnia - San Diego

Os cientistas de materiais estudando os fundamentos da recarga fizeram uma descoberta surpreendente que poderia abrir as portas para baterias melhores, catalisadores mais rápidos e outros saltos da ciência dos materiais.

Cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego e do Laboratório Nacional de Idaho examinaram os estágios iniciais da recarga de lítio e descobriram que o carregamento lento e de baixa energia faz com que os eletrodos coletem átomos de maneira desorganizada, melhorando o comportamento do carregamento. Esse lítio “cristalino” não cristalino nunca havia sido observado, e a criação de tais metais amorfos tem sido tradicionalmente extremamente difícil.

As descobertas sugerem estratégias para otimizar as abordagens de recarga para aumentar a vida útil da bateria e – mais intrigante – para produzir metais vítreos para outras aplicações. O estudo foi publicado em 27 de julho na Nature Materials.

O metal de lítio é um ânodo preferido para baterias recarregáveis ​​de alta energia. No entanto, o processo de recarga (depositar átomos de lítio na superfície do ânodo) não é bem compreendido no nível atômico. A maneira como os átomos de lítio se depositam no ânodo pode variar de um ciclo de recarga para o próximo, levando a recargas erráticas e vida útil da bateria reduzida.

A equipe do INL/UC San Diego questionou se os padrões de recarga eram influenciados pela congregação mais antiga dos primeiros átomos, um processo conhecido como nucleação.

“Essa nucleação inicial pode afetar o desempenho, a segurança e a confiabilidade da bateria”, disse Gorakh Pawar, cientista da equipe do INL e um dos dois principais autores do artigo.

Observando a forma dos “embriões” de lítio

Os pesquisadores combinaram imagens e análises de um poderoso microscópio eletrônico com resfriamento por nitrogênio líquido e modelagem computacional. A microscopia eletrônica de estado criogenético permitiu ver a criação de “embriões” de metal de lítio, e as simulações em computador ajudaram a explicar o que viram.

Em particular, eles descobriram que certas condições criavam uma forma menos estruturada de lítio que era amorfa (como vidro) em vez de cristalina (como diamante).

“O poder da imagiologia criogênica para descobrir novos fenômenos na ciência dos materiais é mostrado neste trabalho”, disse Shirley Meng, autor e pesquisadora correspondente que liderou o trabalho pioneiro de crio-microscopia da UC San Diego. Meng é professor de NanoEngineering e diretor do Centro de Energia e Energia Sustentável da UC San Diego e do Institute for Materials Discovery and Design. Os dados de imagem e espectroscópicos geralmente são complicados, disse ela. “O verdadeiro trabalho em equipe nos permitiu interpretar os dados experimentais com confiança, porque a modelagem computacional ajudou a decifrar a complexidade”.

Uma surpresa vítrea

Metais elementares amorfos puros nunca haviam sido observados antes. Eles são extremamente difíceis de produzir, portanto, normalmente são necessárias misturas metálicas (ligas) para obter uma configuração “vítrea”, que confere poderosas propriedades do material.

Durante a recarga, os embriões de lítio vítreo eram mais propensos a permanecer amorfos durante o crescimento. Enquanto estudava quais condições favoreciam a nucleação vítrea, a equipe ficou surpresa novamente.

“Nós podemos fabricar metal amorfo em condições muito amenas a uma taxa de carregamento muito lenta”, disse Boryann Liaw, membro da diretoria do INL e líder do INL no trabalho. “É bastante surpreendente.”

Esse resultado foi contra-intuitivo porque os especialistas supunham que baixas taxas de deposição permitiriam que os átomos encontrassem o caminho para um lítio cristalino e ordenado. No entanto, o trabalho de modelagem explicou como a cinética da reação conduz a formação vítrea. A equipe confirmou essas descobertas criando formas vítreas de quatro metais mais reativos, atraentes para aplicações em baterias.

Os resultados da pesquisa podem ajudar a cumprir os objetivos do consórcio Battery500, uma iniciativa do Departamento de Energia que financiou a pesquisa. O consórcio visa desenvolver baterias de veículos elétricos comercialmente viáveis ​​com uma energia específica de 500 Wh/kg no nível da célula. Além disso, esse novo entendimento pode levar a catalisadores metálicos mais eficazes, revestimentos metálicos mais fortes e outras aplicações que podem se beneficiar de metais vítreos.

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