À medida que a energia renovável cresce como fonte de energia em todo o mundo, um componente-chave ainda foge da indústria:em grande escala, estábulo, baterias eficientes e acessíveis.

As baterias de íon-lítio provaram ser bem-sucedidas para produtos eletrônicos de consumo, mas veículos elétricos, turbinas eólicas ou redes inteligentes requerem baterias com capacidade de energia muito maior. Um dos principais concorrentes é a bateria de metal de lítio, que difere da tecnologia de íon de lítio por conter eletrodos de metal de lítio.

Concebido pela primeira vez em 1912, baterias de metal de lítio têm potencial para grandes quantidades de armazenamento de energia a um baixo custo, mas sofrem de uma falha fatal:os dendritos - agulhas afiadas feitas de aglomerados de átomos de lítio que podem causar o aquecimento das baterias e, ocasionalmente, curto-circuito e pegar fogo.

Contudo, a promessa da tecnologia tem mantido pesquisadores e empresas trabalhando em maneiras de superar esse problema.

"As baterias de metal de lítio são basicamente as baterias dos sonhos, pois fornecem uma densidade de energia extremamente alta, "disse Reza Shahbazian-Yassar, professor associado de engenharia mecânica e industrial da Universidade de Illinois em Chicago (UIC). "Contudo, não fomos capazes de construir baterias de metal de lítio comercialmente viáveis ​​com eletrólitos líquidos orgânicos devido ao revestimento de metal de lítio heterogêneo que leva a dendritos sob ciclos prolongados de bateria. "

Recentemente, equipes de pesquisadores, incluindo Shahbazian-Yassar na UIC e Perla Balbuena na Texas A&M University, estão cada vez mais perto de encontrar uma solução, em parte aplicando o poder dos supercomputadores para entender a química e a física essenciais em ação na formação de dendritos e para criar novos materiais que podem mitigar o crescimento de dendritos.

Escrevendo em Materiais Funcionais Avançados em fevereiro de 2018, os pesquisadores apresentaram os resultados dos estudos em um novo material que pode resolver o antigo problema dos dendritos.

“A ideia era desenvolver um material de revestimento que pudesse proteger o metal de lítio e tornar a deposição de íons muito mais suave, "disse Balbuena, professor de Engenharia Química na Texas A&M e co-autor do artigo.

As investigações se basearam nos supercomputadores Stampede e Lonestar do Texas Advanced Computing Center (TACC) - entre os mais poderosos do mundo.

ION PACHINKO

No papel, os pesquisadores descreveram uma nanofolha de óxido de grafeno que pode ser pulverizada em um separador de fibra de vidro, que é então inserido na bateria. O material permite que os íons de lítio passem por ele, mas diminui a velocidade e controla como os íons se combinam com os elétrons da superfície para se tornarem átomos neutros. Em vez de formar agulhas, os átomos depositados formam-se lisos, superfícies planas na parte inferior da folha.

Os pesquisadores usaram modelos de computador e simulações em conjunto com experimentos físicos e imagens microscópicas para revelar como e por que o material controla efetivamente a deposição de lítio. Eles mostraram que os íons de lítio formam uma película fina na superfície do óxido de grafeno e, em seguida, se difundem através dos locais com defeitos - essencialmente lacunas nas camadas do material - antes de se estabelecerem abaixo da camada inferior do óxido de grafeno. O material atua como os pinos em um jogo de pachinko, desacelerando e direcionando as bolas de metal conforme elas caem.

"Nossa contribuição foi realizar simulações de dinâmica molecular onde seguimos a trajetória dos elétrons e átomos no tempo e observamos o que está acontecendo no nível atomístico, "Balbuena disse." Estávamos interessados ​​em elucidar como os íons de lítio estavam se difundindo através do sistema e se tornando átomos quando a deposição termina no revestimento de lítio.

As baterias dopadas com óxido de grafeno mostram um ciclo de vida aprimorado e apresentam estabilidade de até 160 ciclos, enquanto uma bateria não modificada perde rapidamente sua eficiência após 120 ciclos. O óxido pode ser aplicado de forma simples e econômica com uma pistola de pulverização.

Como o spray é espalhado nas nanofolhas foi outro foco da pesquisa. "Quando você faz o experimento, não está claro ao nível microscópico onde o revestimento ficará, "disse Balbuena." É muito fino, portanto, localizar esses revestimentos com precisão não é trivial. "

Seu modelo de computador explorou se seria mais favorável se o óxido fosse orientado paralelamente ou perpendicularmente ao coletor de corrente. Ambos podem ser eficazes, eles encontraram, mas se depositado em paralelo, o material requer um certo número de defeitos, então os íons podem escapar.

"As simulações deram aos nossos colaboradores ideias sobre o mecanismo de transferência de íons através do revestimento, "Balbuena disse." É possível que algumas das direções futuras possam envolver diferentes espessuras ou composição química com base no fenômeno que observamos. "

EXPLORANDO MATERIAIS DE CATEODO ALTERNATIVOS

Em pesquisas separadas, publicado em ChemSusChem em fevereiro de 2018, Balbuena e o estudante de graduação Saul Perez Beltran descreveram um projeto de bateria que usa folhas de grafeno para melhorar o desempenho dos cátodos de carbono-enxofre para baterias de lítio-enxofre, outro sistema de armazenamento de alta capacidade potencial.

Além da abundância natural do enxofre, não tóxico e de baixo custo, um cátodo à base de enxofre é teoricamente capaz de fornecer armazenamento até 10 vezes maior do que os cátodos de óxido de lítio-cobalto comumente usados ​​em baterias de íon de lítio convencionais.

Contudo, reações químicas na bateria levam à formação de polissulfetos de lítio, compostos químicos contendo cadeias de átomos de enxofre. Os polissulfetos de cadeia longa são solúveis no eletrólito líquido e migram para o ânodo de metal de lítio, onde se decompõem, um efeito indesejado. Por outro lado, os polissulfetos de cadeia curta são insolúveis e permanecem no cátodo à base de enxofre. Os pesquisadores investigaram como a microestrutura do cátodo pode afetar essa química.

Eles abordaram o problema da formação descontrolada de polissulfeto criando um material composto de enxofre / grafeno que evita a formação de polissulfetos de cadeia longa solúveis. Eles descobriram que as folhas de grafeno trazem estabilidade ao cátodo e melhoram sua capacidade de captura de íons.

A pesquisa de Balbuena é apoiada pelo Departamento de Energia como parte dos programas Battery Materials Research e Battery 500 Seedling, ambos visam criar menores, mais seguro, baterias mais leves e menos caras para tornar os veículos elétricos mais acessíveis.

Stampede e seu sucessor Stampede2 são financiados por doações da National Science Foundation e permitem que dezenas de milhares de pesquisadores de todo o país explorem problemas que não poderíamos abordar de outra forma.

"Estes são cálculos muito extensos, é por isso que precisamos de computadores de alto desempenho, "Balbuena disse." Somos grandes usuários dos recursos do TACC e estamos muito gratos à Universidade do Texas por nos permitir usar essas instalações. "

Para Balbuena, A pesquisa fundamental alimentada por supercomputadores em baterias de última geração é uma síntese perfeita de seus interesses.

"A pesquisa é uma combinação de química, física e engenharia, tudo habilitado por computação, este microscópio teórico que pode visualizar as coisas por meio da teoria. "