Eletrodos de alto desempenho para baterias de íon-lítio podem ser melhorados prestando-se mais atenção aos seus defeitos - e capitalizando sobre eles, de acordo com cientistas da Rice University.

O cientista de materiais de arroz Ming Tang e os químicos Song Jin da Universidade de Wisconsin-Madison e Linsen Li em Wisconsin e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts conduziram um estudo que combinou o estado da arte, espectroscopia de raios-X in situ e modelagem para obter informações sobre o transporte de lítio em cátodos de bateria. Eles descobriram que um material catódico comum para baterias de íon-lítio, fosfato de ferro e lítio de olivina, libera ou absorve íons de lítio através de uma área de superfície muito maior do que se pensava anteriormente.

"Sabemos que este material funciona muito bem, mas ainda há muito debate sobre o porquê, "Tang disse." Em muitos aspectos, este material não deveria ser tão bom, mas de alguma forma excede as expectativas das pessoas. "

Parte do motivo, Tang disse, vem de defeitos pontuais - átomos mal colocados na estrutura do cristal - conhecidos como defeitos anti-local. Esses defeitos são impossíveis de eliminar completamente no processo de fabricação. Acontece que ele disse, eles fazem os materiais do eletrodo do mundo real se comportarem de maneira muito diferente dos cristais perfeitos.

Essa e outras revelações em um Nature Communications O papel pode ajudar os fabricantes a desenvolver melhores baterias de íon-lítio que alimentam dispositivos eletrônicos em todo o mundo.

Os principais autores do estudo - Liang Hong de Rice e Li de Wisconsin e MIT - e seus colegas colaboraram com cientistas do Departamento de Energia do Laboratório Nacional de Brookhaven para usar suas poderosas fontes de luz síncrotron e observar em tempo real o que acontece dentro do material da bateria quando ele está sendo cobrado. Eles também empregaram simulações de computador para explicar suas observações.

Uma revelação, Tang disse, foi que defeitos microscópicos nos eletrodos são uma característica, não é um bug.

"As pessoas geralmente pensam que os defeitos são ruins para os materiais das baterias, que destroem propriedades e desempenho, "disse ele." Com o aumento da quantidade de evidências, percebemos que ter uma quantidade adequada de defeitos pontuais pode realmente ser uma coisa boa. "

Dentro de um sem defeitos, estrutura cristalina perfeita de um cátodo de fosfato de ferro e lítio, o lítio só pode se mover em uma direção, Tang disse. Por causa disso, acredita-se que a reação de intercalação do lítio pode ocorrer em apenas uma fração da área de superfície da partícula.

Mas a equipe fez uma descoberta surpreendente ao analisar as imagens espectroscópicas de raios-X de Li:a reação da superfície ocorre no lado grande de seu imperfeito, microrods sintetizados, que se opõe às previsões teóricas de que os lados estariam inativos porque são paralelos ao movimento percebido do lítio.

Os pesquisadores explicaram que os defeitos das partículas alteram fundamentalmente as propriedades de transporte de lítio do eletrodo e permitem que o lítio salte para dentro do cátodo em mais de uma direção. Isso aumenta a área de superfície reativa e permite uma troca mais eficiente de íons de lítio entre o cátodo e o eletrólito.

Como o cátodo neste estudo foi feito por um método de síntese típico, Tang disse, a descoberta é altamente relevante para aplicações práticas.

"O que aprendemos muda o pensamento sobre como a forma das partículas de fosfato de ferro e lítio deve ser otimizada, "disse ele." Supondo o movimento unidimensional do lítio, as pessoas tendem a acreditar que o formato de partícula ideal deve ser uma placa fina, pois reduz a distância que o lítio precisa percorrer nessa direção e, ao mesmo tempo, maximiza a área de superfície reativa. Mas como agora sabemos que o lítio pode se mover em várias direções, graças aos defeitos, os critérios de design para maximizar o desempenho certamente serão bem diferentes. "

A segunda observação surpreendente, Tang disse, tem a ver com o movimento dos limites de fase no cátodo à medida que é carregado e descarregado.

"Quando você tira o calor da água, se transforma em gelo, "disse ele." E quando você tira o lítio dessas partículas, forma uma fase diferente pobre em lítio, como gelo, que coexiste com a fase inicial rica em lítio. "As fases são separadas por uma interface, ou um limite de fase. A rapidez com que o lítio pode ser extraído depende de quão rápido o limite de fase se move através de uma partícula, ele disse.

Ao contrário de materiais a granel, Tang explicou, foi previsto que o movimento do limite de fase em pequenas partículas de bateria pode ser limitado pela taxa de reação da superfície. Os pesquisadores foram capazes de fornecer a primeira evidência concreta para este mecanismo controlado por reação de superfície, mas com uma torção.

"Vemos o limite de fase se mover em duas direções diferentes por meio de dois mecanismos diferentes, seja controlado por reação de superfície ou difusão em massa de lítio, ", disse ele." Este mecanismo híbrido pinta um quadro mais complicado sobre como a transformação de fase acontece em materiais de bateria. Porque pode ocorrer em um grande grupo de materiais de eletrodo, esta descoberta é fundamental para a compreensão do desempenho da bateria e destaca a importância de melhorar a taxa de reação da superfície. "