Os cientistas desenvolveram um novo tipo de cátodo que pode tornar a produção em massa de baterias de sódio mais viável. Baterias baseadas em sódio abundante e de baixo custo são de grande interesse para cientistas e indústria, pois podem facilitar um processo de produção mais econômico para sistemas de armazenamento de energia em escala de rede, eletrônicos de consumo e veículos elétricos. A descoberta foi um esforço colaborativo entre pesquisadores do Instituto de Química (IOC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) e do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE).

As baterias de lítio são comumente encontradas em produtos eletrônicos de consumo, como smartphones e laptops, mas nos últimos anos, a indústria de veículos elétricos também começou a usar baterias de lítio, aumentando significativamente a demanda sobre os recursos de lítio existentes.

"No ano passado, o preço do carbonato de lítio triplicou, porque o mercado chinês de veículos elétricos começou a crescer, "disse Xiao-Qing Yang, um físico da Divisão de Química do Laboratório de Brookhaven e o principal pesquisador de Brookhaven neste estudo.

Além disso, o desenvolvimento de novas redes elétricas que incorporam fontes de energia renováveis ​​como a eólica e a solar também está gerando a necessidade de novos compostos químicos para baterias. Como essas fontes de energia nem sempre estão disponíveis, sistemas de armazenamento de energia em escala de grade são necessários para armazenar o excesso de energia produzida quando o sol está brilhando e o vento está soprando.

Os cientistas têm procurado novos produtos químicos para baterias usando materiais que estão mais facilmente disponíveis do que o lítio. O sódio é uma das opções mais desejáveis ​​para os pesquisadores porque existe em quase todos os lugares e é muito menos tóxico para os humanos do que o lítio.

Mas o sódio apresenta grandes desafios quando incorporado em um design de bateria tradicional. Por exemplo, o cátodo de uma bateria típica é feito de íons de metal e oxigênio dispostos em camadas. Quando exposto ao ar, os metais no cátodo de uma bateria de sódio podem ser oxidados, diminuindo o desempenho da bateria ou mesmo tornando-a completamente inativa.

Os pesquisadores do IOC do CAS e da Jiangxi Normal University buscaram resolver esse problema substituindo diferentes tipos de metais no cátodo e aumentando o espaço entre esses metais. Então, usando a linha de luz Inner-Shell Spectroscopy (ISS) em Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - um DOE Office of Science User Facility - os pesquisadores de Brookhaven compararam as estruturas dos materiais da bateria com materiais não substituídos a esses novos materiais de bateria com metais substitutos .

"Usamos a linha de luz para determinar como os metais no material catódico mudam os estados de oxidação e como isso se correlaciona com a eficiência e vida útil da estrutura da bateria, "diz Eli Stavitski, um físico da linha de luz da ISS. "

A linha de luz ISS foi a primeira linha de luz operacional de espectroscopia de raios-X no NSLS-II. Aqui, os pesquisadores lançam um feixe de raios-X ultrabrilhante através dos materiais para observar como a luz é absorvida ou reemitida. Essas observações permitem que os pesquisadores estudem a estrutura de diferentes materiais, incluindo seus estados químicos e eletrônicos.

A linha de luz ISS, que é projetado especificamente para experimentos de alta velocidade, permitiu aos pesquisadores medir as mudanças em tempo real na bateria durante os processos de carga e descarga. Com base em suas observações feitas na linha de luz, A equipe de Brookhaven descobriu que a oxidação foi suprimida nas baterias de sódio com metais substituídos, indicando que as baterias de sódio recém-projetadas eram estáveis ​​quando expostas ao ar. Este é um grande passo para permitir a futura produção em massa de baterias de sódio.

Os pesquisadores dizem que este estudo é o primeiro de muitos que usarão a linha de luz ISS no NSLS-II para avançar no estudo das baterias.