Uma técnica experimental desenvolvida por pesquisadores do A * STAR foi usada para rastrear as mudanças químicas e estruturais em um eletrodo à medida que uma bateria se descarrega. A técnica baseada em raios X deve ajudar a melhorar o desempenho dos materiais nas baterias de próxima geração.

As baterias de íon-lítio são amplamente utilizadas em nossas vidas diárias, por exemplo, em dispositivos móveis e veículos elétricos. Eles armazenam e liberam energia transportando íons de lítio entre dois eletrodos (veja a imagem). Mas a quantidade de energia que esses eletrodos podem armazenar, e a velocidade com que as baterias carregam ou descarregam, ainda é relativamente limitado. Além disso, o uso repetido pode fazer com que os eletrodos se expandam e contraiam, degradando seu desempenho ao longo do tempo.

Eletrodos contendo nanotubos de dióxido de titânio organizados na forma conhecida como fase de bronze poderiam ajudar a contornar essas restrições, pois o material tem uma alta capacidade teórica de carga e seu volume muda pouco durante a operação. Contudo, seu mecanismo de carregamento não é totalmente compreendido, devido às limitações das ferramentas analíticas que podem sondar diretamente o processo de carregamento de superfície.

Yonghua Du, do Instituto A * STAR de Ciências Químicas e de Engenharia, e o grupo de Xiaodong Chen na Universidade Tecnológica de Nanyang agora enfrentou esse problema usando a fonte de luz síncrotron de Singapura para realizar medições de espectroscopia de absorção de raios-X nos eletrodos de dióxido de titânio durante a operação.

Eles descobriram que a carga média dos átomos de titânio do material, conhecido como seu estado de valência, caiu continuamente de aproximadamente quatro para três, à medida que o material acumulava íons de lítio durante a descarga. Os experimentos também revelaram como a estrutura cristalina do material se expandiu conforme os íons de lítio se acumulavam no eletrodo. Uma vez que os átomos de titânio em um estado de baixa valência são ligeiramente maiores do que aqueles em um estado de alta valência, isso distorceu ainda mais a estrutura do cristal. "Uma transição de fase ocorre durante o carregamento e descarregamento, "explica Du.

Diferentes mecanismos para armazenamento de carga podem ocorrer na superfície do eletrodo, que os experimentos quantificaram pela primeira vez. Eles mostraram que a maior parte da capacidade de armazenamento da bateria depende da mudança no estado de valência do titânio. Outros testes demonstraram que os nanotubos ocos de dióxido de titânio podem armazenar mais carga do que os nanofios do mesmo material.

Conforme a taxa de descarga aumentou, uma proporção maior de íons de lítio foi armazenada na superfície do eletrodo, ao invés de profundamente dentro de sua estrutura. Isso reduziu a mudança no estado médio de valência do titânio, o que acabou diminuindo a capacidade de energia do eletrodo.

Esta análise de como as baterias de íon de lítio funcionam ajudará a guiar os pesquisadores enquanto eles projetam nanoestruturas de eletrodos para melhorar o armazenamento e a mobilidade de íons de lítio. Du observa que sua técnica de espectroscopia de absorção de raios-X também pode ser aplicada a outros materiais de eletrodo.