p Uma equipe de pesquisadores liderada por químicos do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) identificou novos detalhes do mecanismo de reação que ocorre em baterias com ânodos de metal de lítio. As evidências, publicado hoje em Nature Nanotechnology , são um grande passo para um desenvolvimento menor, mais leve, e baterias mais baratas para veículos elétricos. p Recriando ânodos de metal de lítio

p Baterias de íon de lítio convencionais podem ser encontradas em uma variedade de eletrônicos, de smartphones a veículos elétricos. Embora as baterias de íon-lítio tenham permitido o uso generalizado de muitas tecnologias, eles ainda enfrentam desafios para alimentar veículos elétricos em longas distâncias.

p Para construir uma bateria mais adequada para veículos elétricos, pesquisadores de vários laboratórios nacionais e universidades patrocinadas pelo DOE formaram um consórcio chamado Battery500, liderado pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do DOE. Seu objetivo é fazer células de bateria com densidade de energia de 500 watts-hora por quilograma, que é mais do que o dobro da densidade de energia das baterias de última geração de hoje. Para fazer isso, o consórcio está se concentrando em baterias feitas com ânodos de metal de lítio.

p Em comparação com as baterias de íon de lítio, que na maioria das vezes usa grafite como ânodo, As baterias de metal de lítio usam metal de lítio como ânodo.

p "Ânodos de metal de lítio são um dos principais componentes para cumprir a densidade de energia procurada pela Battery500, "disse o químico de Brookhaven Enyuan Hu, principal autor do estudo. "A vantagem deles é dupla. Primeiro, sua capacidade específica é muito alta; segundo, eles fornecem uma bateria de voltagem um pouco mais alta. A combinação leva a uma maior densidade de energia. "

p Os cientistas há muito reconheceram as vantagens dos ânodos de metal de lítio; na verdade, eles foram o primeiro ânodo a ser acoplado a um cátodo. Mas devido à sua falta de "reversibilidade, "a capacidade de ser recarregado por meio de uma reação eletroquímica reversível, a comunidade da bateria acabou substituindo os ânodos de metal de lítio por ânodos de grafite, criando baterias de íon de lítio.

p Agora, com décadas de progresso feito, os pesquisadores estão confiantes de que podem tornar os ânodos de metal de lítio reversíveis, ultrapassando os limites das baterias de íon de lítio. A chave é a interfase, uma camada de material sólido que se forma no eletrodo da bateria durante a reação eletroquímica.

p "Se formos capazes de compreender totalmente a interfase, podemos fornecer orientações importantes sobre o design do material e tornar os ânodos de metal de lítio reversíveis, "Disse Hu." Mas entender a interfase é um grande desafio porque é uma camada muito fina com uma espessura de apenas vários nanômetros. Também é muito sensível ao ar e à umidade, tornando o manuseio da amostra muito complicado. "

p Visualizando a interfase em NSLS-II

p Para navegar por esses desafios e "ver" a composição química e a estrutura da interfase, os pesquisadores se voltaram para a National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), uma instalação de usuário do DOE Office of Science em Brookhaven que gera raios X ultrabright para estudar propriedades de materiais em escala atômica.

p "O alto fluxo do NSLS-II nos permite olhar para uma quantidade muito pequena da amostra e ainda gerar dados de alta qualidade, "Hu disse.

p Além dos recursos avançados do NSLS-II como um todo, a equipe de pesquisa precisava usar uma linha de luz (estação experimental) que fosse capaz de sondar todos os componentes da interfase, incluindo fases cristalinas e amorfas, com raios X de alta energia (comprimento de onda curto). Essa linha de luz era a linha de luz de difração de pó de raios-X (XPD).

p "A equipe de química tirou proveito de uma abordagem multimodal no XPD, usando duas técnicas diferentes oferecidas pela linha de luz, Difração de raios-X (XRD) e análise de função de distribuição de pares (PDF), "disse Sanjit Ghose, cientista-chefe da linha de luz no XPD. "O XRD pode estudar a fase cristalina, enquanto o PDF pode estudar a fase amorfa. "

p As análises de XRD e PDF revelaram resultados empolgantes:a existência de hidreto de lítio (LiH) na interfase. Por décadas, os cientistas debateram se LiH existia na interfase, deixando incerteza em torno do mecanismo de reação fundamental que forma a interfase.

p "Quando vimos pela primeira vez a existência do LiH, Ficamos muito entusiasmados porque esta foi a primeira vez que o LiH demonstrou existir na interfase usando técnicas com confiabilidade estatística. Mas também fomos cautelosos porque as pessoas duvidam disso há muito tempo, "Hu disse.

p Co-autor Xiao-Qing Yang, um físico da Divisão de Química de Brookhaven, adicionado, "LiH e fluoreto de lítio (LiF) têm estruturas cristalinas muito semelhantes. Nossa alegação de LiH poderia ter sido contestada por pessoas que acreditavam que identificamos erroneamente o LiF como LiH."

p Dada a controvérsia em torno desta pesquisa, bem como os desafios técnicos que diferenciam LiH de LiF, a equipe de pesquisa decidiu fornecer várias linhas de evidência para a existência de LiH, incluindo um experimento de exposição ao ar.

p "LiF é estável ao ar, enquanto LiH não é, "Yang disse." Se expuséssemos a interfase ao ar com umidade, e se a quantidade do composto sendo sondado diminuiu ao longo do tempo, que confirmaria que vimos LiH, não LiF. E foi exatamente isso o que aconteceu. Como LiH e LiF são difíceis de diferenciar e o experimento de exposição ao ar nunca foi realizado antes, é muito provável que LiH tenha sido erroneamente identificado como LiF, ou não observado devido à reação de decomposição do LiH com a umidade, em muitos relatórios da literatura. "

p Yang continuou, "A preparação da amostra feita no PNNL foi crítica para este trabalho. Também suspeitamos que muitas pessoas não conseguiram identificar o LiH porque suas amostras foram expostas à umidade antes da experimentação. Se você não coletar a amostra, selá-lo, e transportá-lo corretamente, você perdeu. "

p Além de identificar a presença de LiH, a equipe também resolveu outro quebra-cabeça de longa data centrado em LiF. LiF foi considerado um componente favorecido na interfase, mas não foi totalmente compreendido por quê. A equipe identificou diferenças estruturais entre LiF na interfase e LiF na massa, com o primeiro facilitando o transporte de íons de lítio entre o ânodo e o cátodo.

p "Da preparação da amostra à análise de dados, colaboramos de perto com o PNNL, o Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA, e a Universidade de Maryland, "disse o químico de Brookhaven Zulipiya Shadike, primeiro autor do estudo. "Como um jovem cientista, Aprendi muito sobre como conduzir um experimento e me comunicar com outras equipes, especially because this is such a challenging topic."

p Hu added, "This work was made possible by combining the ambitions of young scientists, wisdom from senior scientists, and patience and resilience of the team."

p Beyond the teamwork between institutions, the teamwork between Brookhaven Lab's Chemistry Division and NSLS-II continues to drive new research results and capabilities.

p "The battery group in the Chemistry Division works on a variety of problems in the battery field. They work with cathodes, anodes, and electrolytes, and they continue to bring XPD new issues to solve and challenging samples to study, " Ghose said. "That's exciting to be part of, but it also helps me develop methodology for other researchers to use at my beamline. Atualmente, we are developing the capability to run in situ and operando experiments, so researchers can scan the entire battery with higher spatial resolution as a battery is cycling."

p The scientists are continuing to collaborate on battery research across Brookhaven Lab departments, other national labs, and universities. They say the results of this study will provide much-needed practical guidance on lithium metal anodes, propelling research on this promising material forward.