p Adicionar átomos de carbono a um novo tipo de bateria sólida de íon de lítio pode fazer com que ela carregue com mais rapidez e segurança. p Baterias de íon-lítio de estado sólido podem fornecer segurança drasticamente melhorada, voltagem e densidade de energia em comparação com as baterias de hoje, que usam componentes líquidos. Eles podem ser usados ​​em veículos elétricos, bem como na eletrônica de potência. Contudo, eles ainda estão em um estágio inicial de desenvolvimento, com muito poucos comercializados até o momento.

p Em uma nova pesquisa de uma colaboração internacional liderada conjuntamente pelo cientista do Laboratório Nacional Lawrence Livermore (LLNL) Brandon Wood e Mirjana Dimitrievska do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), a equipe descobriu por que substituir um átomo de boro por um átomo de carbono em um material eletrolítico de bateria principal fez os íons de lítio se moverem ainda mais rápido, o que é atraente para uma bateria de estado sólido mais robusta. Este é um exemplo do que os cientistas chamam de "frustração":a dinâmica do sistema garante que o lítio nunca fique satisfeito com sua posição atual, então está sempre se movendo. A pesquisa aparece na edição de 20 de fevereiro da Materiais de energia avançados .

p "Uma vez que a principal funcionalidade dos eletrólitos é transportar íons, é uma boa descoberta, "Wood disse.

p Um dos principais obstáculos é o pequeno número de materiais de eletrólitos sólidos candidatos que podem transportar íons de lítio com eficiência entre os terminais da bateria. Em uma bateria comum, isso é feito facilmente por meio de um líquido, mas os materiais sólidos que podem fazer isso são extremamente raros. Alguns dos materiais disponíveis apresentam problemas de estabilidade. Outros são difíceis de processar. A maioria dos candidatos restantes são simplesmente muito lentos para mover os íons de lítio, o que significa que devem ser muito finos para serem eficazes.

p O novo trabalho se concentra em um material dentro de uma nova classe de materiais, closo-boratos, que foi descoberto recentemente por ter uma rápida mobilidade de íons de lítio. De acordo com Wood, Closo-boratos são eletroquimicamente estáveis ​​e podem ser facilmente processados, oferecendo algumas vantagens significativas sobre a concorrência. Embora ainda existam algumas barreiras à comercialização - maior estabilidade térmica, resistência mecânica e ciclabilidade são o foco atual - esta nova classe é um substituto potencial atraente para os eletrólitos sólidos atuais.

p "Outra vantagem importante dos cloroboratos é sua sintonia inerente, "disse o pesquisador de pós-doutorado do LLNL Patrick Shea, que desenvolveu algumas das ferramentas de análise utilizadas no estudo. "Eles podem ser facilmente ligados, bem como modificados estrutural e quimicamente. Em muitos casos, essas mudanças podem alterar dramaticamente seu comportamento. "

p Colaboradores do Sandia National Laboratories e do NIST trabalharam na modificação desses materiais para torná-los ainda melhores. Eles descobriram que a substituição de um átomo de boro por um átomo de carbono faz com que os átomos de lítio se movam ainda mais rápido.

p Compreender como e por que isso acontece requer modelagem profunda dos mecanismos de transporte de íons de lítio através da matriz sólida, bem como caracterização experimental detalhada para acompanhar e validar os modelos. A equipe usou uma técnica de modelagem mecânica quântica avançada - dinâmica molecular ab initio - e combinou-a com uma técnica experimental de alta fidelidade, espalhamento quase elástico de nêutrons.

p O material eletrolítico é um sal composto de cátions de lítio carregados positivamente e ânions de cloroborato carregados negativamente. A pesquisa mostrou que os ânions de closo-borato se reorientam rapidamente, girando na matriz sólida à medida que alternam entre direções preferidas específicas. A adição de carbono ao ânion closo-borato cria o que é conhecido como um dipolo, que repele o lítio na vizinhança local do átomo de carbono. Conforme o ânion gira, o átomo de carbono enfrenta diferentes direções, cada vez, forçando o lítio a se mover para um local próximo na matriz sólida. Porque o sal está cheio de ânions giratórios, isso resulta em um movimento muito rápido do lítio.

p "Agora que entendemos as consequências benéficas, podemos começar a pensar sobre como introduzir efeitos semelhantes por modificação química do próprio ânion, "Wood disse." Também podemos começar a pensar sobre como a estrutura e a química estão inter-relacionadas, o que pode dar pistas sobre como as modificações estruturais do material podem gerar melhorias adicionais. "

p Joel Varley, um cientista de materiais LLNL e co-autor do artigo, acrescentou:"É um passo inicial para o desenvolvimento de uma nova classe de eletrólitos sólidos robustos com ultra-alta mobilidade de íons de lítio, oferecendo uma alternativa atraente para os designs atuais de baterias de estado sólido. O princípio geral de design também pode ser útil para otimizar outros materiais de eletrólito sólido onde as rotações moleculares desempenham um papel. "