Nas últimas três décadas, baterias de íon-lítio, baterias recarregáveis ​​que movem íons de lítio para frente e para trás para carregar e descarregar, habilitaram dispositivos menores que são mais rápidos e duram mais.

Agora, Experimentos de raios-X no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia e no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley revelaram que os caminhos que os íons de lítio percorrem através de um material de bateria comum são mais complexos do que se pensava anteriormente. Os resultados corrigem mais de duas décadas de suposições sobre o material e ajudarão a melhorar o design da bateria, potencialmente levando a uma nova geração de baterias de íon de lítio.

Uma equipe internacional de pesquisadores, liderado por William Chueh, um cientista docente no Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia da SLAC e um professor de ciência de materiais de Stanford, publicou essas descobertas hoje em Materiais da Natureza .

"Antes, era como uma caixa preta, "disse Martin Bazant, um professor do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e outro líder do estudo. "Você pode ver que o material funcionou muito bem e certos aditivos pareciam ajudar, mas não era possível dizer exatamente para onde vão os íons de lítio em cada etapa do processo. Você só poderia tentar desenvolver uma teoria e trabalhar para trás a partir das medições. Com novos instrumentos e técnicas de medição, estamos começando a ter uma compreensão científica mais rigorosa de como essas coisas realmente funcionam. "

O 'efeito pipoca'

Qualquer pessoa que tenha andado em um ônibus elétrico, trabalharam com uma ferramenta elétrica ou usaram um aspirador sem fio provavelmente colheram os benefícios do material da bateria que estudaram, fosfato de lítio e ferro. Também pode ser usado para o recurso start-stop em carros com motores de combustão interna e armazenamento para energia eólica e solar em redes elétricas. Uma melhor compreensão deste material e de outros semelhantes pode levar a um carregamento mais rápido, baterias mais duradouras e mais duráveis. Mas até recentemente, os pesquisadores só podiam adivinhar os mecanismos que permitem que ele funcione.

Quando as baterias de íon de lítio carregam e descarregam, os íons de lítio fluem de uma solução líquida para um reservatório sólido. Mas uma vez no sólido, o lítio pode se reorganizar, às vezes fazendo com que o material se divida em duas fases distintas, tanto quanto óleo e água se separam quando misturados. Isso causa o que Chueh chama de "efeito pipoca". Os íons se aglomeram em pontos quentes que acabam encurtando a vida útil da bateria.

Neste estudo, os pesquisadores usaram duas técnicas de raios-X para explorar o funcionamento interno das baterias de íons de lítio. No Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC, eles refletiram os raios X de uma amostra de fosfato de ferro de lítio para revelar sua estrutura atômica e eletrônica, dando-lhes uma noção de como os íons de lítio se moviam no material. No Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS), eles usaram microscopia de raios-X para ampliar o processo, permitindo-lhes mapear como a concentração de lítio muda ao longo do tempo.

Nadando contra a corrente

Anteriormente, pesquisadores pensaram que o fosfato de lítio e ferro era um condutor unidimensional, o que significa que os íons de lítio só são capazes de viajar em uma direção através da maior parte do material, como salmão nadando contra a corrente.

Mas enquanto vasculha seus dados, os pesquisadores notaram que o lítio estava se movendo em uma direção completamente diferente na superfície do material do que seria de esperar com base em modelos anteriores. Foi como se alguém tivesse jogado uma folha na superfície do riacho e descoberto que a água estava fluindo em uma direção completamente diferente da do salmão nadador.

Eles trabalharam com Saiful Islam, um professor de química da Universidade de Bath, REINO UNIDO, desenvolver modelos computacionais e simulações do sistema. Aqueles revelaram que os íons de lítio se moviam em duas direções adicionais na superfície do material, tornando o fosfato de lítio e ferro um condutor tridimensional.

"Acontece que, esses caminhos extras são problemáticos para o material, promovendo o comportamento semelhante ao da pipoca que leva ao seu fracasso, "Chueh disse." Se o lítio puder ser movido mais lentamente na superfície, isso tornará a bateria muito mais uniforme. Esta é a chave para o desenvolvimento de baterias de maior desempenho e maior durabilidade. "

Uma nova fronteira na engenharia de baterias

Embora o fosfato de lítio e ferro exista nas últimas duas décadas, a capacidade de estudá-lo em nanoescala e durante a operação com bateria não era possível até alguns anos atrás.

"Isso explica como essa propriedade crucial do material passou despercebida por tanto tempo, "disse Yiyang Li, que liderou o trabalho experimental como estudante de graduação e pós-doutorado em Stanford e SLAC. “Com novas tecnologias, há sempre propriedades novas e interessantes a serem descobertas sobre os materiais que fazem você pensar sobre eles de forma um pouco diferente. "

Este trabalho é um dos primeiros artigos a sair de uma colaboração entre Bazant, Chueh e vários outros cientistas como parte de um centro de pesquisa financiado pelo Toyota Research Institute que utiliza teoria e aprendizado de máquina para projetar e interpretar experimentos avançados.

Essas descobertas mais recentes, Bazant disse, criar uma história mais complexa que teóricos e engenheiros terão que considerar em trabalhos futuros.

"Além disso, constrói o argumento de que a engenharia das superfícies das baterias de íon-lítio é realmente a nova fronteira, "disse ele." Já descobrimos e desenvolvemos alguns dos melhores materiais a granel. E vimos que as baterias de íon de lítio ainda estão progredindo em um ritmo notável:elas estão cada vez melhores. Esta pesquisa está permitindo o avanço constante de uma tecnologia testada que realmente funciona. Estamos construindo com base em um conhecimento importante que pode ser adicionado ao kit de ferramentas dos engenheiros de bateria enquanto eles tentam desenvolver materiais melhores. "

Abrangendo escalas diferentes

Para acompanhar este estudo, os pesquisadores continuarão a combinar modelagem, simulação e experimentos para tentar entender questões fundamentais sobre o desempenho da bateria em muitas escalas de comprimento e tempo diferentes com instalações como Linac Coherent Light Source da SLAC, ou LCLS, onde os pesquisadores serão capazes de sondar saltos iônicos únicos que acontecem em escalas de tempo tão rápidas quanto um trilionésimo de segundo.

"Um dos obstáculos para o desenvolvimento de tecnologias de bateria de íon-lítio é a enorme extensão de escalas de tempo e duração envolvidas, "Chueh disse." Processos-chave podem acontecer em uma fração de segundo ou ao longo de muitos anos. O caminho a seguir requer o mapeamento desses processos em comprimentos que vão de metros até o movimento dos átomos. No SLAC, estamos estudando materiais de bateria em todas essas escalas. Combinar isso com modelagem e experimento é o que realmente tornou esse entendimento possível. "