Os carros elétricos contam com a mesma tecnologia de bateria de íon de lítio que existe nos smartphones, laptops e praticamente tudo que é eletrônico.

Mas a tecnologia tem sido extremamente lenta para melhorar. Embora os carros elétricos possam mais do que lidar com o deslocamento diário do americano médio, o carro comum movido a gasolina ainda pode ir mais longe com o tanque cheio de gasolina, as estações de carregamento são escassas e leva muito mais tempo para carregar uma bateria do que para encher um tanque.

Para melhorar a capacidade de carga das baterias de íon-lítio e aumentar a adoção de carros elétricos, a indústria terá que retornar à ciência básica de como as baterias se desgastam com o tempo.

Uma equipe de pesquisadores de vários institutos desenvolveu a visão mais abrangente ainda dos eletrodos de bateria de íon-lítio, onde a maioria dos danos normalmente ocorre ao carregá-los repetidamente. Os fabricantes podem usar essas informações para projetar baterias para seu smartphone ou carro que sejam mais confiáveis ​​e mais duradouras, dizem os pesquisadores.

"A criação de conhecimento às vezes é mais valiosa do que resolver o problema de danos ao eletrodo da bateria, "disse Kejie Zhao, professor assistente de engenharia mecânica na Purdue University. "Antes, as pessoas não tinham as técnicas ou a teoria para entender esse problema. "

A tecnica, explicado nas revistas Materiais de energia avançados e a Jornal da Mecânica e Física dos Sólidos , é essencialmente uma ferramenta de raio-X conduzida por inteligência artificial. Ele pode escanear automaticamente milhares de partículas em um eletrodo de bateria de íon de lítio de uma só vez - até os átomos que compõem as próprias partículas - usando algoritmos de aprendizado de máquina.

Garantido, na verdade, existem milhões de partículas no eletrodo de uma bateria. Mas os pesquisadores agora podem analisá-los de forma mais completa do que antes - e nas várias condições operacionais em que usamos baterias comerciais no mundo real, como a janela de tensão e a rapidez com que carregam.

"A maior parte do trabalho foi focada no nível de uma única partícula e usando essa análise para entender toda a bateria. Mas há obviamente uma lacuna aí; muita diferença entre uma única partícula em uma escala de mícron e toda a bateria em uma escala muito maior, "disse Zhao, cujo laboratório estuda a ciência fundamental de como os aspectos mecânicos e eletroquímicos de uma bateria afetam uns aos outros.

Cada vez que uma bateria é carregada, Os íons de lítio viajam para frente e para trás entre um eletrodo positivo e um eletrodo negativo. Esses íons interagem com partículas nos eletrodos, fazendo-os rachar e degradar ao longo do tempo. Danos no eletrodo reduzem a capacidade de carga da bateria.

É difícil para uma bateria ter alta capacidade e ser confiável ao mesmo tempo, Zhao diz. Aumentar a capacidade da bateria geralmente significa sacrificar sua confiabilidade.

O trabalho dos pesquisadores para mapear os danos em baterias de íon-lítio começou com a descoberta de que a degradação das partículas da bateria não ocorre ao mesmo tempo ou no mesmo local; algumas partículas falham mais rapidamente do que outras.

Mas para realmente estudar isso com mais detalhes, a equipe precisava criar uma técnica totalmente nova; os métodos existentes não capturariam inteiramente os danos nos eletrodos da bateria.

Os pesquisadores se voltaram para o maciço, instalações com quilômetros de extensão chamadas síncrotrons no European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) e Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC National Laboratory. Essas instalações hospedam partículas que viajam quase à velocidade da luz, emitindo radiação que é usada para criar imagens chamadas de raios-X síncrotron.

Os pesquisadores da Virginia Tech fabricaram os materiais e as baterias para testes - desde as baterias de células em smartphones até as células de moedas em relógios. Pesquisadores do ESRF e SSRL criaram a capacidade de escanear tantas partículas de eletrodo nessas baterias quanto possível de uma só vez, em seguida, produza essas imagens de raios-X para análise. Mapas de quebra e degradação de partículas nas superfícies das partículas, chamado de "descolamento interfacial, "agora pode servir como uma ferramenta de referência para saber os vários graus de danos nos eletrodos da bateria.

Para entender como essas rachaduras afetam o desempenho da bateria, A equipe de Zhao em Purdue desenvolveu teorias e ferramentas computacionais. Eles encontraram, por exemplo, isso porque as partículas perto de onde os íons de lítio vão e voltam, chamado de "separador, "são mais usados ​​do que partículas perto da parte inferior dos materiais do eletrodo, eles falham mais rapidamente.

Esta variabilidade no dano das partículas do eletrodo, ou "degradação heterogênea, "é mais grave em eletrodos mais grossos e durante condições de carregamento rápido.

"A capacidade das baterias não depende de quantas partículas estão na bateria; o que importa é como os íons de lítio são usados, "Zhao disse.

O objetivo do projeto não é que todo pesquisador e player da indústria use a técnica em si - especialmente considerando que há apenas um punhado de síncrotrons nos EUA -, mas que esses grupos usem o conhecimento gerado a partir da técnica. Os pesquisadores planejam continuar usando a técnica para documentar como os danos acontecem e afetam o desempenho em baterias comerciais.