Bilhões de proprietários de smartphones estão familiarizados com o temido símbolo de "bateria fraca" em seus dispositivos. Enquanto os consumidores gemem, os cientistas estão trabalhando para entender por que e quando as baterias de íon-lítio em telefones, veículos elétricos plug-in, e outros aplicativos perdem carga ou falham.

Uma das melhores ferramentas que os cientistas estão usando nesta investigação são os raios-x das fontes de luz avançadas do Departamento de Energia (DOE). Essas fontes de luz usam feixes de elétrons para produzir raios X que são mais de um bilhão de vezes mais fortes do que os do consultório dentário. Em comparação com os raios-x mais fracos disponíveis em outras instalações, as fontes de luz permitem que os pesquisadores coletem mais dados com mais detalhes do que seriam capazes de outra forma. Os cientistas estão usando essas ferramentas exclusivas para examinar como as baterias de íon de lítio funcionam em tempo real.

Do laboratório para a estrada

Na década de 1990, os materiais de bateria existentes simplesmente não eram adequados para o nível de potência e desempenho necessários para veículos híbridos ou elétricos plug-in. Em resposta, pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do DOE usaram a Advanced Photon Source (APS), uma instalação de usuário do DOE Office of Science, para observar as interações dentro das baterias no nível atômico pela primeira vez.

O APS também permite que os cientistas observem o que está acontecendo no nível atômico enquanto as baterias estão carregando e descarregando. Com este entendimento, os fabricantes podem melhorar o desempenho e a vida útil das baterias e, em última análise, podem criar eletrônicos e veículos elétricos plug-in mais acessíveis e eficientes.

Os cientistas fazem isso usando o APS para observar as baterias in situ, ou enquanto eles estão realmente trabalhando. Anteriormente, cientistas fizeram testes em uma bateria, desmontou, e examinou-o ao microscópio. Em contraste, estudar baterias in situ permite que eles observem os átomos se movendo dentro da bateria e meçam a estabilidade da estrutura molecular durante o processo de carga e descarga.

Depois que os pesquisadores apoiados pelo Office of Science mapearam os fundamentos, eles transferiram o trabalho para cientistas aplicados apoiados pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE. Essa pesquisa levou a um novo cátodo para baterias de íon de lítio que era mais seguro, mais acessível, e capaz de armazenar mais energia do que nunca. (O cátodo é o eletrodo positivo em uma célula de bateria, que aceita íons de lítio e elétrons do ânodo negativo durante a descarga ou uso.) Na verdade, esses avanços foram tão significativos que a Chevrolet usou o cátodo no primeiro veículo elétrico plug-in do mercado de massa - o Volt.

Raios-X:Duros e Suaves

Ambas as máquinas de segurança do aeroporto e o APS produzem raios-x "duros", que são de energia mais alta com comprimentos de onda mais curtos (menos de 1 nanômetro ou 1/100, 000º a espessura de um pedaço de papel). Raios-X fortes são muito bons para penetrar em materiais e observar estruturas atômicas.

Em contraste, raios-x "suaves" são de menor energia com comprimentos de onda mais longos (1-10 nanômetros). Embora seus comprimentos de onda sejam muito longos para examinar estruturas atômicas, eles fornecem "informações químicas realmente excelentes, "de acordo com David Shapiro, um físico do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (LBNL). Usando esses raios-x, os cientistas podem examinar os estados químicos e as transformações desses estados nos nanomateriais. A fonte de luz avançada da LBNL, uma instalação de usuário do DOE Office of Science, é uma das fontes mais brilhantes de raios-X moles do mundo.

Cada uma dessas fontes de luz permite que os cientistas estudem um aspecto diferente do quebra-cabeça do íon de lítio.

"Cada técnica tem algum tipo de deficiência em relação à história completa, "disse Jason Croy, um cientista de materiais em Argonne. "[Mas] cada técnica pode ser realmente poderosa para fornecer certas informações."

Na verdade, os pesquisadores gostam do desafio de juntar as diversas descobertas.

"É um ótimo campo porque utiliza os pontos fortes de todas as instalações, "disse Shapiro.

Examinando baterias de todos os ângulos

Cientistas de laboratórios nacionais, universidades, e outras instituições de pesquisa estão usando os instrumentos excepcionais das instalações do usuário para se aprofundar nas interações do lítio. O trabalho nas três fontes de luz é apoiado pelo Office of Science do DOE.

Compreendendo os deslocamentos em Argonne:Pesquisadores em Argonne estão desenvolvendo o trabalho que contribuiu para o cátodo do Chevrolet Volt. O estudo original buscou entender a estrutura do lítio com manganês e outras formas de óxido de metal de transição antes de passar por vários ciclos de carga-descarga.

Agora, os cientistas estão observando como a estrutura da bateria se degrada com o tempo. Conforme a bateria carrega e descarrega, os íons de lítio entram e saem do ânodo e do cátodo. Contudo, outros átomos dentro dos eletrodos também se movem, causando danos e reduzindo a capacidade da bateria de fornecer energia. Usando o APS, os cientistas examinaram como esses átomos individuais se movem e rastrearam como a estrutura muda com o uso.

Atualmente, pesquisadores estão alterando as estruturas das baterias e vendo como essas mudanças afetam as baterias. Idealmente, essas modificações irão aumentar a estabilidade das estruturas das baterias, minimizar a degradação, e melhorar seu desempenho.

Brookhaven visualiza baterias em 5D:O Brookhaven National Laboratory (BNL) do DOE recentemente adicionou outra dimensão à pesquisa de baterias. Eles desenvolveram a visão mais abrangente já feita sobre as baterias:um mapa químico 3-D na escala nanométrica que mostra as mudanças ao longo do tempo.

Normalmente, A espectroscopia de raios-X produz imagens 2-D que mostram a média do que está acontecendo em uma amostra inteira. Não mostra o que está acontecendo em camadas individuais.

Em contraste, a equipe do BNL combinou a National Synchrotron Light Source (NSLS) - então uma instalação do usuário DOE - e um microscópio de raio-X de transmissão de campo completo exclusivo para desenvolver uma nova técnica de nano-imagem de raio-X. Os cientistas giraram as amostras da bateria em 180 graus sob raios-X de diferentes energias de raios-X.

"Esta é a primeira vez [podemos] monitorar in-situ a transformação de fase em 3-D em escala nanométrica em uma célula de bateria em funcionamento, "disse Jun Wang, um físico do BNL.

Wang e seus colegas continuarão seu trabalho no NSLS-II, que seguirá a partir do NSLS original. O NSLS-II acabará por fornecer feixes 10, 000 vezes mais brilhante que seu antecessor, permitindo que os cientistas estudem essas reações em uma escala de tempo ainda mais precisa.

Carregamento rápido vs. lento em Lawrence Berkeley:pesquisadores do LBNL estão examinando o mesmo problema, mas de uma perspectiva diferente e usando uma máquina diferente. Usando raios X suaves da Fonte de Luz Avançada (ALS), eles estão observando como a velocidade de carregamento e se uma bateria está carregando ou descarregando afeta a distribuição e o transporte de íons.

Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Stanford, trabalhando com LBNL, construiu uma bateria transparente em nanoescala que tem um décimo bilionésimo da carga de um smartphone. Isso permite que eles observem o movimento de íons de lítio individuais.

Idealmente, Os íons devem se distribuir uniformemente pelos eletrodos à medida que se movem para frente e para trás. Infelizmente, eles não, causando estresse em certos pontos.

A equipe descobriu que o carregamento lento, na verdade, resultou em uma distribuição mais irregular do que o carregamento rápido. Isso foi surpreendente, considerando que o carregamento rápido é geralmente considerado mais prejudicial para a bateria. Eles também descobriram que carregar a bateria causou uma distribuição mais desigual do que descarregar, ou usando a bateria, faz.

Com base nesta pesquisa, Os cientistas do LBNL podem ser capazes de reduzir uma fonte de danos às baterias, melhorando seu desempenho e vida útil.