A equipe de Argonne desenvolve uma técnica poderosa para sondar em três dimensões a estrutura cristalina de materiais catódicos em nanoescala.

Um dos muitos pontos fortes do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) é sua capacidade de reunir equipes multidisciplinares amplas e profundas para resolver problemas científicos complexos. Essas equipes têm à sua disposição uma grande variedade de instalações de classe mundial para a realização de pesquisas, incluindo o Advanced Photon Source (APS) - um DOE Office of Science User Facility que fornece ultrabrilhante, feixes de raios-X de alta energia para pesquisa de materiais de vanguarda.

Uma dessas equipes de Argonne desenvolveu uma nova técnica poderosa para sondar em três dimensões a microestrutura cristalina dos materiais catódicos das baterias da próxima geração. Essas baterias podem um dia revolucionar o armazenamento de energia para transporte e rede elétrica.

“Nosso projeto exigia uma equipe multidisciplinar com experiência em materiais para baterias e química, Espalhamento de raios-X, programação de computadores e análise de dados complexos - expertise prontamente disponível na Argonne, "disse Raymond Osborn, co-investigador principal deste projeto na divisão de Ciência de Materiais da Argonne junto com Stephan Rosenkranz. "Este é um exemplo perfeito de ciência em escala, aproveitando a equipe multidisciplinar e as instalações de classe mundial da Argonne para resolver problemas complexos com um impacto potencial na sociedade. "

A equipe incluiu pesquisadores de quatro divisões da Argonne:Ciência de Materiais, Ciências Químicas e Engenharia, Ciência e aprendizagem de dados e ciência de raios-X. O pós-doutorado Matthew Krogstad na divisão de Ciência de Materiais foi responsável pelas principais inovações que tornaram possível o sucesso do projeto.

Outra chave para o sucesso foi o uso de feixes de raios-X de alta energia disponíveis apenas em instalações de síncrotron, como o APS e a Fonte Síncrotron de Alta Energia Cornell (CHESS) localizada na Cornell University. "Raios-X de altíssima energia, como os disponíveis no APS, penetrar profundamente no material do cátodo, tornando essas medições de ponta possíveis, "disse Jonathan Lang, diretor da divisão APS X-ray Science.

O fruto desse projeto multidisciplinar é uma nova ferramenta importante para sondar o que acontece durante o processo de "intercalação" - a inserção de íons entre as camadas de um cátodo quando uma bateria gera eletricidade. Após esse processo está a "desintercalação" - a extração desses mesmos íons do cátodo quando uma bateria está sendo carregada.

A bateria de íon de lítio convencional opera por esse processo. Na busca por melhores materiais catódicos, os cientistas empregaram raios-X e difração de elétrons para determinar como os íons de lítio ou outros intercalantes podem desenvolver estruturas ordenadas de longo alcance. Essas estruturas impedem o movimento dos íons metálicos dentro do cátodo, dificultando assim sua extração e inserção durante o ciclismo e diminuindo o desempenho da bateria.

Escondido da vista até agora, Contudo, tem sido a ordem de curto prazo, que também perturba a mobilidade iônica, mas não pode ser observado por técnicas convencionais de difração.

"O pedido de curto alcance é extremamente desafiador de medir e ainda mais difícil de modelar, "Osborn observou, "mas os avanços recentes nas fontes síncrotron agora tornam prático o uso de novas técnicas para visualizar os resultados e monitorar as correlações iônicas em detalhes em função da temperatura."

A equipe de pesquisa primeiro preparou um único cristal de um cátodo de óxido de vanádio em camadas com íons de sódio inseridos. Eles escolheram esse material porque as baterias de íon de sódio estão sendo consideradas uma alternativa às baterias de íon de lítio devido à maior abundância e menor custo do sódio.

Na APS e no CHESS, os membros da equipe mediram então a dispersão de raios-X de alta energia do cristal e determinaram as correlações de curto alcance entre os íons de sódio dentro da estrutura do cristal em diferentes temperaturas. A partir dessas medições, eles determinaram a probabilidade de cada sítio atômico possível dentro da estrutura do cristal ser ocupado por um átomo ou não, usando um método conhecido como "3-D-ΔPDF."

"Os dados são de tão alta qualidade que esses mapas de probabilidade 3-D parecem imagens em escala atômica, "Krogstad disse." Você pode ver onde os íons de sódio estão sem ter que realizar nenhuma análise complicada. Ficamos surpresos quando vimos pela primeira vez como os resultados eram de compreensão intuitiva. "

Essas "imagens" tridimensionais revelaram que os íons de sódio formam um padrão de zigue-zague em colunas separadas entre os átomos de óxido de vanádio (veja a figura). Esta ordenação atômica dentro da estrutura cristalina aumenta com a diminuição da temperatura abaixo da temperatura ambiente. Em uma bateria de sódio, os íons se difundiriam ao longo das vias em zigue-zague.

"Quanto maior a interrupção nesse padrão de zigue-zague, "explicou Osborn, "melhor para a mobilidade de íons. E melhor a mobilidade de íons, melhor será o desempenho do material catódico. "

"Essas descobertas estão produzindo uma compreensão muito melhor de como as transições ordem-desordem limitam a mobilidade dos íons de sódio, "Rosenkranz disse." Os pesquisadores também podem usar essas medições para avaliar a eficácia das estratégias para diminuir esses efeitos negativos e, assim, aumentar o desempenho do cátodo. "

"Embora nossa pesquisa tenha se concentrado em um material catódico selecionado em uma bateria de íon de sódio, "adicionou Rosenkranz, "nosso método se aplica à investigação da ordem de curto alcance em muitos outros materiais cristalinos com uma variedade de aplicações tecnológicas em função da temperatura ou outras variáveis."

Esta pesquisa apareceu em Materiais da Natureza , "Imagem do espaço recíproco de correlações iônicas em compostos de intercalação."