Baterias recarregáveis ​​baseadas em magnésio, ao invés de lítio, têm o potencial de estender o alcance do veículo elétrico ao embalar mais energia em baterias menores. Mas bloqueios químicos imprevistos retardaram o progresso científico.

E os locais onde o sólido encontra o líquido - onde os eletrodos da bateria com carga oposta interagem com a mistura química circundante conhecida como eletrólito - são os pontos problemáticos conhecidos.

Agora, uma equipe de pesquisa do Joint Center for Energy Storage Research do Departamento de Energia dos EUA, liderado por cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), descobriu um surpreendente conjunto de reações químicas envolvendo magnésio que degradam o desempenho da bateria antes mesmo que ela possa ser carregada.

As descobertas podem ser relevantes para outros materiais de bateria, e poderia direcionar o projeto de baterias de próxima geração para soluções alternativas que evitem essas armadilhas recém-identificadas.

A equipe usou experimentos de raios-X, modelagem teórica, e simulações de supercomputador para desenvolver uma compreensão completa da decomposição química de um eletrólito líquido que ocorre dentro de dezenas de nanômetros de uma superfície de eletrodo que degrada o desempenho da bateria. Suas descobertas são publicadas online no jornal Química de Materiais .

A bateria que eles estavam testando apresentava magnésio metálico como seu eletrodo negativo (o ânodo) em contato com um eletrólito composto de um líquido (um tipo de solvente conhecido como diglima) e um sal dissolvido, Mg (TFSI) 2.

Embora a combinação de materiais usados ​​fosse considerada compatível e não reativa no estado de repouso da bateria, experimentos na Advanced Light Source (ALS) do Berkeley Lab, uma fonte de raios-X chamada síncrotron, descobriu que este não é o caso e conduziu o estudo em novas direções.

“As pessoas pensavam que os problemas com esses materiais ocorriam durante o carregamento da bateria, mas em vez disso, os experimentos indicaram que já havia alguma atividade, "disse David Prendergast, que dirige a Unidade de Teoria de Materiais Nanoestruturados na Fundição Molecular e atuou como um dos líderes do estudo.

"Nesse ponto ficou muito interessante, "disse ele." O que poderia causar essas reações entre substâncias que deveriam ser estáveis ​​sob essas condições? "

Os pesquisadores da Fundição Molecular desenvolveram simulações detalhadas do ponto onde o eletrodo e o eletrólito se encontram, conhecida como interface, indicando que nenhuma reação química espontânea deve ocorrer em condições ideais, qualquer. As simulações, no entanto, não levou em conta todos os detalhes químicos.

"Antes de nossas investigações, "disse Ethan Crumlin, um cientista ALS que coordenou os experimentos de raios-X e co-liderou o estudo com Prendergast, "havia suspeitas sobre o comportamento desses materiais e possíveis conexões com o baixo desempenho da bateria, mas eles não foram confirmados em uma bateria em funcionamento. "

Baterias de íon de lítio comercialmente populares, que alimentam muitos dispositivos eletrônicos portáteis (como telefones celulares, laptops, e ferramentas elétricas) e uma frota crescente de veículos elétricos, lançam íons de lítio - átomos de lítio que se carregam pela liberação de um elétron - para a frente e para trás entre os dois eletrodos da bateria. Esses materiais de eletrodo são porosos em escala atômica e são alternativamente carregados ou esvaziados de íons de lítio conforme a bateria é carregada ou descarregada.

Neste tipo de bateria, o eletrodo negativo é normalmente composto de carbono, que tem uma capacidade mais limitada de armazenar esses íons de lítio do que outros materiais teriam.

Portanto, aumentar a densidade do lítio armazenado usando outro material tornaria mais leve, menor, baterias mais potentes. Usando metal de lítio no eletrodo, por exemplo, pode empacotar mais íons de lítio no mesmo espaço, embora seja uma substância altamente reativa que queima quando exposta ao ar, e requer mais pesquisas sobre como melhor embalá-lo e protegê-lo para estabilidade a longo prazo.

O magnésio metálico tem uma densidade de energia maior do que o lítio metálico, o que significa que você pode potencialmente armazenar mais energia em uma bateria do mesmo tamanho se usar magnésio em vez de lítio.

O magnésio também é mais estável do que o lítio. Sua superfície forma uma camada "oxidada" autoprotetora, pois reage com a umidade e o oxigênio do ar. Mas dentro de uma bateria, acredita-se que esta camada oxidada reduza a eficiência e encurte a vida útil da bateria, portanto, os pesquisadores estão procurando maneiras de evitar sua formação.

Para explorar a formação desta camada em mais detalhes, a equipe empregou uma técnica de raio-X única desenvolvida recentemente no ALS, chamado APXPS (espectroscopia de fotoelétrons de raios-X de pressão ambiente). Esta nova técnica é sensível à química que ocorre na interface de um sólido e líquido, o que o torna uma ferramenta ideal para explorar a química da bateria na superfície do eletrodo, onde encontra o eletrólito líquido.

Mesmo antes de uma corrente ser alimentada na bateria de teste, os resultados de raios-X mostraram sinais de decomposição química do eletrólito, especificamente na interface do eletrodo de magnésio. As descobertas forçaram os pesquisadores a repensar sua imagem em escala molecular desses materiais e como eles interagem.

O que eles determinaram é que a autoestabilização, A fina camada superficial de óxido que se forma no magnésio tem defeitos e impurezas que provocam reações indesejadas.

"Não é o metal em si, ou seus óxidos, isso é um problema, "Prendergast disse." É o fato de que você pode ter imperfeições na superfície oxidada. Essas pequenas disparidades tornam-se locais para reações. Ele se alimenta dessa maneira. "

Uma nova rodada de simulações, que propôs possíveis defeitos na superfície de magnésio oxidado, mostraram que defeitos na camada superficial oxidada do ânodo podem expor íons de magnésio que agem como armadilhas para as moléculas do eletrólito.

Se íons de hidróxido de flutuação livre - moléculas contendo um único átomo de oxigênio ligado a um átomo de hidrogênio que pode ser formado como traços de água reagem com o metal magnésio - encontram essas moléculas ligadas à superfície, eles vão reagir.

Isso desperdiça eletrólito, secar a bateria com o tempo. E os produtos dessas reações sujam a superfície do ânodo, prejudicando o funcionamento da bateria.

Demorou várias iterações para frente e para trás, entre os membros experimentais e teóricos da equipe, desenvolver um modelo consistente com as medidas de raios-X. Os esforços foram apoiados por milhões de horas de capacidade de computação no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética do Laboratório.

Os pesquisadores notaram a importância de ter acesso às técnicas de raios-X, experiência em nanoescala, e recursos de computação no mesmo laboratório.

Os resultados podem ser relevantes para outros tipos de materiais de bateria, também, incluindo protótipos baseados em metal de lítio ou alumínio. Prendergast disse, "Este poderia ser um fenômeno mais geral que define a estabilidade do eletrólito."

Crumlin acrescentou, "Já começamos a fazer novas simulações que podem nos mostrar como modificar o eletrólito para reduzir a instabilidade dessas reações." Da mesma forma, ele disse, pode ser possível adaptar a superfície do magnésio para reduzir ou eliminar parte da reatividade química indesejada.

"Em vez de permitir que crie sua própria interface, você pode construí-lo sozinho para controlar e estabilizar a química da interface, "Ele acrescentou." No momento, isso leva a eventos incontroláveis. "