Pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) projetaram um novo, material catódico orgânico para baterias de lítio. Com enxofre em seu núcleo, o material é mais denso em energia, custo-beneficio, e ecologicamente corretos do que os materiais catódicos tradicionais em baterias de lítio. A pesquisa foi publicada em Materiais de energia avançada em 10 de abril, 2019.

Otimizando materiais de cátodo

De smartphones a veículos elétricos, as tecnologias que se tornaram fundamentais para a vida cotidiana funcionam com baterias de lítio. E como a demanda por esses produtos continua a aumentar, os cientistas estão investigando como otimizar os materiais do cátodo para melhorar o desempenho geral dos sistemas de bateria de lítio.

"Baterias de íon de lítio comercializadas são usadas em pequenos dispositivos eletrônicos; no entanto, para acomodar longas distâncias de condução para veículos elétricos, sua densidade de energia precisa ser maior, "disse Zulipiya Shadike, um associado de pesquisa na Divisão de Química de Brookhaven e o principal autor da pesquisa. "Estamos tentando desenvolver novos sistemas de bateria com alta densidade de energia e desempenho estável."

Além de resolver os desafios de energia dos sistemas de bateria, pesquisadores da Brookhaven estão procurando designs de materiais de bateria mais sustentáveis. Em busca de um material catódico sustentável que também pudesse fornecer uma alta densidade de energia, os pesquisadores escolheram o enxofre, um elemento seguro e abundante.

"O enxofre pode formar muitas ligações, o que significa que ele pode reter mais lítio e, portanto, ter uma densidade de energia maior, "disse o co-autor Adrian Hunt, um cientista da National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), um DOE Office of Science User Facility em Brookhaven. "O enxofre também é mais leve do que os elementos tradicionais em materiais catódicos, então, se você fizer uma bateria de enxofre, a bateria em si seria mais leve e o carro em que ela anda poderia dirigir ainda mais com a mesma carga. "

Ao projetar o novo material catódico, os pesquisadores escolheram um composto organodissulfeto que é feito apenas de elementos como o carbono, hidrogênio, enxofre, e oxigênio - não os metais pesados ​​encontrados em baterias de lítio típicas, que são menos amigos do ambiente. Mas, embora as baterias de enxofre possam ser mais seguras e mais densas em energia, eles apresentam outros desafios.

"Quando uma bateria está carregando ou descarregando, enxofre pode formar um composto indesejável que se dissolve no eletrólito e se difunde por toda a bateria, causando uma reação adversa, "Shadike disse." Tentamos estabilizar o enxofre projetando um material catódico no qual os átomos de enxofre estavam ligados a uma estrutura orgânica. "

Os raios X revelam os detalhes

Assim que os cientistas da Divisão de Química de Brookhaven projetaram e sintetizaram o novo material, eles então o trouxeram para o NSLS-II para entender melhor seu mecanismo de descarga de carga. Usando os raios-x ultrabright do NSLS-II em duas estações experimentais diferentes, a linha de luz de difração de pó de raios-X (XPD) e a linha de luz de espectroscopia de raios-X In situ e Operando Soft (IOS), os cientistas foram capazes de determinar como elementos específicos no material do cátodo contribuíram para seu desempenho.

"Pode ser difícil estudar materiais orgânicos de bateria usando fontes de luz síncrotron porque, em comparação com metais pesados, compostos orgânicos são mais leves e seus átomos são menos ordenados, então eles produzem dados fracos, "disse Sanjit Ghose, cientista-chefe do XPD e co-autor do artigo. "Felizmente, temos feixes de raios-X de muito alto fluxo e alta energia no NSLS-II que nos permitem 'ver' a abundância e a atividade de cada elemento em um material, incluindo mais leve, elementos orgânicos menos ordenados. "

Ghose adicionado, "Nossos colegas do departamento de química projetaram e sintetizaram o material catódico de acordo com a estrutura teoricamente prevista. Para nossa surpresa, nossas observações experimentais corresponderam exatamente à estrutura teórica conduzida. "

Iradwikanari Waluyo, cientista-chefe do IOS e co-autor do artigo, disse, "Usamos raios-x suaves no IOS para sondar diretamente o átomo de oxigênio no backbone e estudar sua estrutura eletrônica, antes e depois de a bateria ser carregada e descarregada. Confirmamos que o grupo carbonila - tendo uma ligação dupla entre um átomo de carbono e um átomo de oxigênio - não só desempenha um grande papel no aprimoramento da capacidade de carga-descarga rápida da bateria, mas também fornece capacidade extra. "

Os resultados do NSLS-II e experimentos adicionais na fonte de luz canadense permitiram aos cientistas confirmar com sucesso a capacidade de carga e descarga da bateria fornecida pelos átomos de enxofre. Os pesquisadores dizem que este estudo fornece uma nova estratégia para melhorar o desempenho dos cátodos à base de enxofre para baterias de lítio de alto desempenho.