Uma nova teoria pode permitir que pesquisadores e a indústria sintonizem e melhorem o desempenho de um material chamado cerâmica iônica em baterias recarregáveis, células de combustível e outras aplicações de energia.

Cerâmicas iônicas são feitas de muitos "grãos" facetados que se encontram nas fronteiras de maneiras que afetam, por exemplo, quanta energia uma célula de combustível pode fornecer ou quão rápido uma bateria pode ser recarregada e por quanto tempo ela pode manter a carga.

"Meu celular tem um valor (fixo) de carga, e esses limites de grão são um fator limitante, "a quanto dessa carga é de fato útil, disse Edwin García, professor de engenharia de materiais na Purdue University.

Um desafio no aperfeiçoamento de tecnologias que usam cerâmicas iônicas é superar os efeitos isolantes dos limites dos grãos (interfaces entre os grãos), que sofrem "transições de fase" (mudanças estruturais e eletroquímicas), impactando assim as propriedades do material.

“É um problema que existe na área da cerâmica há 40 anos, "disse ele. No entanto, foi somente nestes últimos 10 anos que os cientistas perceberam que as interfaces (materiais 2-D), assim como as fases em massa (materiais 3-D) podem sofrer transições de fase.

Trabalhando com García, o estudante de doutorado Suryanarayana Karra Vikrant conduziu pesquisas para desenvolver a nova teoria, que descreve o que acontece na interface entre os pequenos grãos. O trabalho estende a pesquisa pioneira de John Cahn para o metal, que recebeu a Medalha Nacional de Ciência em 1998 e foi pesquisador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts e do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia.

"A teoria mostra que essas interfaces estão passando por transições de fase, que não tinha sido [identificado como tal] antes, "García disse.

As transições de fase 2-D podem incluir mudanças de carga, Voltagem, e "desordem estrutural, "que afeta as propriedades do material em uma escala de 10 nm, mas impactando o desempenho, propriedades, e degradação na escala macro.

A teoria foi validada usando zircônia estabilizada com ítria, ou YSZ, um material em aplicações de células de combustível de óxido sólido. As descobertas são detalhadas em um artigo de pesquisa publicado na quarta-feira (20 de fevereiro) no Natureza Diário Materiais Computacionais .

Vikrant Karra, um aluno de Purdue criou um diagrama de fases mostrando como os limites dos grãos passam por transições.

"Do ponto de vista da ciência básica, esse trabalho é muito legal, mas também é relevante para aplicações de energia, "García disse.

Por exemplo, ele disse, ser capaz de projetar melhor a cerâmica interfacial poderia trazer células de combustível e baterias que mantêm a carga por mais tempo e podem ser carregadas mais rápido do que agora é possível. Isso ocorre porque as transições de fase interfacial podem fazer com que os limites de grão se tornem isolantes, interferindo no desempenho da bateria.

"Então, esta teoria é uma primeira etapa no ajuste dessas cerâmicas [fases 2-D em massa], " ele disse.

A teoria se aplica não apenas ao YSZ, mas também para outras cerâmicas que poderiam trazer baterias de estado sólido, ou baterias que não contêm eletrólito líquido, um avanço que oferece várias vantagens potenciais em relação às baterias convencionais de íons de lítio. Eles seriam mais leves e seguros para veículos elétricos, eliminando o perigo de vazamento ou eletrólito inflamável durante acidentes.

As descobertas também têm implicações para o projeto de cerâmicas para aplicações ferroelétricas e piezotrônicas, que são voltados para memórias de computador, tecnologias de energia e sensores que medem tensões em materiais. Projetos avançados podem reduzir o consumo de energia nessas aplicações.

Pesquisas futuras incluem trabalhos para demonstrar a teoria com resultados experimentais em baterias e aprender sobre o comportamento dinâmico de interfaces de grãos.