(Phys.org) —Resolver o mistério do que acontece dentro das baterias quando o silício entra em contato com o lítio pode acelerar a comercialização de baterias de alta capacidade de próxima geração, para uso em telefones celulares e outros aplicativos.

As baterias de última geração baseadas em silício estão um passo mais perto da realidade comercial, depois que o mistério que cerca o que está acontecendo dentro das baterias quando o silício entra em contato com o lítio foi compreendido em detalhes sem precedentes. A tecnologia baseada em silício expandiria muito a capacidade das baterias usadas em telefones celulares, veículos elétricos e outras aplicações.

Usando uma combinação de nanotecnologia e técnicas de ressonância magnética nuclear (NMR), pesquisadores desenvolveram um novo sistema de sondagem que dá uma visão do que está acontecendo dentro das baterias em nível atômico, permitindo maior controle sobre as propriedades dos materiais.

O silício foi proposto como um substituto para o carbono nos ânodos da bateria (eletrodos negativos) nos últimos 20 anos, pois tem cerca de dez vezes mais capacidade de armazenamento do que o carbono. Contudo, a dificuldade em gerenciar as propriedades do silício impediu que a tecnologia fosse aplicada em escala.

O principal problema com o uso de silício em uma bateria de íon de lítio é que os átomos de silício absorvem átomos de lítio, e o silício se expande até três vezes em volume, degradando a bateria. Embora controlar essa expansão tenha se tornado mais fácil na última década, a falta de compreensão sobre o que está acontecendo dentro das baterias e o que governa as reações continuou a travar as baterias de silício.

Pesquisadores da Universidade de Cambridge desenvolveram um novo método para sondar baterias de silício e determinaram o que causa a expansão. Os resultados são publicados na edição de 3 de fevereiro da revista. Nature Communications .

"O desafio mais básico para entregar essas baterias de alta capacidade é entender as reações que acontecem dentro delas, "disse o autor principal, Dr. Ken Ogata, do Departamento de Engenharia.

Usando fios em nanoescala feitos de silício e técnicas de NMR, os pesquisadores desenvolveram um sistema de modelo robusto capaz de acomodar a expansão do silício ao longo de vários ciclos, e integrou-o com técnicas de sondagem de curto alcance que revelam o que está acontecendo dentro da bateria em nível atômico. A equipe descobriu que as reações ocorrem com interações de vários tamanhos de redes e clusters de silício, energética que governa parcialmente o caminho da reação.

Usando essas técnicas combinadas, os pesquisadores foram capazes de desenvolver um 'mapa' de como o silício se transforma quando é colocado em contato com o lítio em uma bateria. As percepções abertas pela tecnologia impulsionarão novos desenvolvimentos de baterias de silício, pois será mais fácil para os engenheiros controlar suas propriedades.

"Usar esta técnica ajudará a tornar o design da bateria muito mais sistemático, e menos tentativa e erro, "disse o Dr. Ogata." As baterias baseadas em nanofios acopladas ao sistema de RMN nos permitiram seguir a cinética da reação ao longo de vários ciclos com várias estratégias de ciclagem. Mais importante, os insights obtidos pela nova tecnologia são relevantes para os atuais ânodos compostos de silício-carbono de última geração e levarão a um maior desenvolvimento dos ânodos. "

Esta versátil tecnologia baseada em nanofios pode ser aplicada a outro sistema de bateria, como baterias de íon de lítio e baterias de íon de sódio à base de estanho e germânio, e estudos estão atualmente em andamento com a espectroscopia de NMR sob uma ampla variedade de regimes eletroquímicos.