Uma equipe internacional de pesquisadores acaba de publicar em Materiais de energia avançada o estudo mais amplo sobre o que acontece durante a falha da bateria, focalizando as diferentes partes de uma bateria ao mesmo tempo. O papel do ESRF, o Síncrotron Europeu, na França, foi crucial para seu sucesso.

Todos nós já passamos por isso:você carregou seu celular e, após um curto período de uso, a bateria acaba com uma rapidez incomum. Os eletrônicos de consumo parecem perder energia em taxas desiguais e isso se deve à heterogeneidade das baterias. Quando o telefone está carregando, a camada superior carrega primeiro e a camada inferior carrega depois. O telefone celular pode indicar que está completo quando o nível da superfície superior terminar de carregar, mas a parte inferior terá carga insuficiente. Se você usar a camada inferior como impressão digital, a camada superior ficará sobrecarregada e terá problemas de segurança.

A verdade é, as baterias são compostas de muitas partes diferentes que se comportam de maneira diferente. O polímero sólido ajuda a manter as partículas juntas, aditivos de carbono fornecem conexão elétrica, e há as partículas ativas da bateria armazenando e liberando a energia.

Uma equipe internacional de cientistas do ESRF, SLAC, Virginia Tech e Purdue University queriam entender e definir quantitativamente o que leva ao fracasso das baterias de íons de lítio. Até então, os estudos ampliaram áreas individuais ou partículas no cátodo durante a falha ou diminuíram o zoom para observar o comportamento no nível da célula sem oferecer detalhes microscópicos suficientes. Agora, este estudo fornece a primeira visão global com uma quantidade sem precedentes de detalhes estruturais microscópicos para complementar os estudos existentes na literatura da bateria.

Se você tem um eletrodo perfeito, cada partícula deve se comportar da mesma maneira. Contudo, eletrodos são muito heterogêneos e contêm milhões de partículas. Não há como garantir que cada partícula se comporte da mesma maneira ao mesmo tempo.

Para superar este desafio, a equipe de pesquisa confiou fortemente nos métodos de raios-X do síncrotron e usou duas instalações do síncrotron para estudar eletrodos em baterias, o ESRF, o síncrotron europeu em Grenoble, França e Laboratório Nacional do Acelerador SLAC de Stanford, em nós. "O ESRF nos permitiu estudar grandes quantidades de partículas de bateria em maior resolução, "diz Feng Lin, professor assistente na Virginia Tech. Experimentos complementares, em particular, espectroscopia de raios-X de nano-resolução, teve lugar no SLAC.

"A nanotomografia de contraste de fase de raio X duro mostrou-nos cada partícula em resolução notável em toda a espessura do eletrodo. Isso nos permitiu rastrear o nível de dano em cada um deles depois de usar a bateria. Cerca de metade dos dados do papel vieram do ESRF, "explica Yang Yang, cientista do ESRF e primeiro autor do artigo.

"Antes dos experimentos, não sabíamos que podíamos estudar essas muitas partículas de uma vez. A geração de imagens de partículas de baterias ativas individuais tem sido o foco deste campo. Para fazer uma bateria melhor, você precisa maximizar a contribuição de cada partícula individual, "diz Yijin Liu, cientista do SLAC.

O laboratório Virginia Tech fabricou os materiais e baterias, que foram então testados quanto aos seus comportamentos de carregamento e degradação no ESRF e no SLAC. Kejie Zhao, professor assistente na Purdue University, liderou o esforço de modelagem computacional neste projeto.

Os resultados desta publicação oferecem um método diagnóstico para a utilização e desbotamento de partículas em baterias. "Isso poderia melhorar a forma como a indústria projeta eletrodos para baterias de carregamento rápido, "conclui Yang.