Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), em colaboração com pesquisadores da Purdue University e Rutgers University, fundiram a ciência dos materiais e a física da matéria condensada em um estudo de um material sólido promissor que conduz íons de lítio.

O transporte de íons, ou átomos carregados, por meio de materiais desempenha um papel crucial em muitos sistemas elétricos - de baterias a cérebros. Atualmente, os principais materiais condutores de íons são líquidos e orgânicos, mas o desenvolvimento de condutores de íons sólidos e inorgânicos pode ter amplas aplicações na conversão de energia, bioengenharia e processamento de informação.

Neste estudo, niquelato de samário, um material que também é sólido, foi mostrado para transportar rapidamente íons de lítio sob certas condições. O estudo foi publicado em Proceedings of the National Academy of Sciences .

O estudo relatou que, para o níquelato de samário, os fenômenos quânticos em jogo dentro de sua estrutura molecular afetam as propriedades do material em uma escala maior, e suas características estruturais incomuns podem produzir propriedades eletrônicas favoráveis.

Em um estudo anterior, os cientistas descobriram que pequenos íons, como prótons, poderia se mover através do material de níquelato de samário muito rapidamente. "Então, perguntamos o que aconteceria se inseríssemos íons ligeiramente maiores, como o lítio, no material, "disse Shriram Ramanathan, um co-autor do estudo e professor de Engenharia de Materiais na Purdue University.

Os íons de lítio desempenham um papel importante no mundo das baterias:muitas baterias em uso hoje dependem do transporte de íons de lítio através de um material eletrolítico para facilitar o fluxo da corrente elétrica.

"Como o níquelato de samário pode facilmente transportar íons de lítio através de sua rede em temperatura ambiente, tem potencial para ser usado como eletrólito de estado sólido em uma bateria, "disse Hua Zhou, um físico Argonne. "Isso se enquadra na mesma categoria dos melhores condutores sólidos de íon-lítio que já vimos."

Não só o níquelato de samário transporta rapidamente o lítio, ele também exibe um nível de resistência elétrica que é desejável em materiais eletrolíticos. Sozinho, o níquelato de samário se comporta como um metal, permitindo que os elétrons passem livremente através de sua estrutura cristalina. Contudo, quando os cientistas inserem íons de lítio no material, a capacidade de passagem dos elétrons livres é reduzida em oito ordens de magnitude. Essa resistência permite que o material evite problemas que muitas vezes afetam outros eletrólitos líquidos comumente empregados, como perda desnecessária de energia e curto-circuito.

"Identificamos um material que possui propriedades isolantes melhores do que eletrólitos líquidos, como carbonatos de alquila, que são comumente usados ​​em baterias atuais, e a condutividade iônica rara para um sólido, "disse o Subramanian Sankaranarayanan, cientista do Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne.

"É um resultado bastante contra-intuitivo que adicionar elétrons ao sistema torna o níquelato mais isolante, "disse o pesquisador da Rutgers University Michele Kotiuga.

Kotiuga realizou os primeiros cálculos para determinar como a estrutura eletrônica do material muda quando introduzido no lítio.

Com esses cálculos em mãos, a equipe então usou os recursos oferecidos por meio do conjunto exclusivo de recursos do usuário do DOE Office of Science da Argonne - a Advanced Photon Source (APS), o Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) e o Center for Nanoscale Materials (CNM) - para obter uma descrição mais detalhada dos mecanismos que causam o comportamento. A equipe também fez uso da Fonte de Luz Síncrotron Nacional-II, um DOE Office of Science User Facility no Brookhaven National Laboratory.

O APS sondou o níquelato de samário usando raios X de alta intensidade enquanto os cientistas adicionavam gradualmente o lítio. Em tempo real, os cientistas viram como a estrutura eletrônica e a ligação química evoluíram até a escala de comprimento atômico.

Os cientistas também usaram o ALCF e o Carbon, um cluster de computação de alto desempenho no CNM, para simular o movimento iônico na rede.

"Os supercomputadores estão se tornando cada vez mais parte integrante do design e descoberta de materiais, "disse a Diretora de Ciência da ALCF, Katherine Riley." Com nossos sistemas de classe de liderança, pesquisadores podem explorar materiais em um nível de detalhe sem precedentes, fornecendo insights que podem ser usados ​​para adaptar novos materiais para aplicações específicas. "

Usando o supercomputador Mira do ALCF, a equipe modelou a dinâmica do sistema para prever quais caminhos os íons de lítio poderiam seguir através do níquelato.

"Calcular os caminhos foi um complemento importante para o resto da pesquisa porque ajuda a explicar o comportamento que observamos, "disse Sankaranarayanan." Podemos usar esse conhecimento para recriar e controlar esses efeitos em outros materiais. "

Os cientistas planejam estudar outros materiais que podem apresentar propriedades semelhantes para identificar outros íons que o níquelato de samário pode conduzir.