Pesquisadores da Universidade de Illinois em Chicago e do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley desenvolveram uma nova técnica que permite localizar com precisão a localização das reações químicas que acontecem dentro das baterias de íon-lítio em três dimensões em nível nanoescala. Seus resultados são publicados na revista Nature Communications .

"Saber os locais precisos das reações químicas dentro de nanopartículas individuais que participam dessas reações nos ajuda a identificar como uma bateria opera e descobrir como a bateria pode ser otimizada para que funcione ainda melhor, "disse Jordi Cabana, professor associado de química da UIC e co-autor correspondente no artigo.

À medida que uma bateria é carregada e descarregada, seus eletrodos - os materiais onde ocorrem as reações que produzem energia - são alternadamente oxidados e reduzidos. As vias químicas pelas quais essas reações ocorrem ajudam a determinar a rapidez com que uma bateria se esgota.

As ferramentas disponíveis para estudar essas reações só podem fornecer informações sobre a composição média dos eletrodos em um determinado momento. Por exemplo, eles podem permitir que um pesquisador saiba qual porcentagem do eletrodo ficou permanentemente oxidada. Mas essas ferramentas não podem fornecer informações sobre a localização das porções oxidadas no eletrodo. Por causa dessas limitações, não é possível dizer se as reações estão confinadas a uma determinada área do eletrodo, como a superfície do material, ou se as reações estão ocorrendo uniformemente em todo o eletrodo.

"Ser capaz de dizer se existe uma tendência para uma reação ocorrer em uma parte específica do eletrodo, e melhor ainda, a localização das reações dentro de nanopartículas individuais no eletrodo, seria extremamente útil porque então você poderia entender como essas reações localizadas se correlacionam com o comportamento da bateria, como o tempo de carregamento ou o número de ciclos de recarga que pode passar de forma eficiente, "Cabana disse.

A nova técnica, chamada tomografia fotográfica de raios-X, surgiu através de uma parceria entre químicos da UIC e cientistas da Advanced Light Source, no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, na Califórnia. Cientistas da Advanced Light Source desenvolveram os algoritmos de instrumentação e medição, que foram usados ​​para ajudar a responder a perguntas fundamentais sobre os materiais da bateria e o comportamento identificados pela equipe da UIC.

Juntos, as duas equipes usaram a técnica tomográfica para observar dezenas de nanopartículas de fosfato de ferro-lítio recuperadas de um eletrodo de bateria parcialmente carregado. Os pesquisadores usaram um coerente, feixe em nanoescala de raios-X gerado pelo acelerador síncrotron de alto fluxo na fonte de luz avançada para interrogar cada nanopartícula. O padrão de absorção do feixe pelo material deu aos pesquisadores informações sobre o estado de oxidação do ferro nas nanopartículas do feixe de raios-X. Porque eles foram capazes de mover o feixe apenas alguns nanômetros e executar o interrogatório novamente, a equipe pode reconstruir mapas químicos das nanopartículas com uma resolução de cerca de 11 nanômetros. Girando o material no espaço, eles poderiam criar uma reconstrução tomográfica tridimensional dos estados de oxidação de cada nanopartícula. Em outras palavras, eles sabiam até que ponto uma nanopartícula individual de fosfato de lítio-ferro havia reagido.

"Usando nossa nova técnica, não pudemos apenas ver que as nanopartículas individuais mostraram diferentes extensões de reação em um determinado momento, mas também como a reação percorreu o interior de cada nanopartícula, "Cabana disse.