Os engenheiros se esforçam para projetar smartphones com baterias mais duráveis, veículos elétricos que podem dirigir por centenas de quilômetros com uma única carga, e uma rede elétrica confiável que pode armazenar energia renovável para uso futuro. Cada uma dessas tecnologias está ao seu alcance, ou seja, se os cientistas podem construir melhores materiais de cátodo.

A data, a estratégia típica para melhorar os materiais catódicos tem sido alterar sua composição química. Mas agora, Químicos do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) fizeram uma nova descoberta sobre o desempenho da bateria que aponta para uma estratégia diferente para otimizar materiais catódicos. Sua pesquisa, publicado em Química de Materiais e apresentado em Escolha dos Editores ACS , concentra-se em controlar a quantidade de defeitos estruturais no material do cátodo.

“Em vez de mudar a composição química do cátodo, podemos alterar o arranjo de seus átomos, "disse o autor correspondente Peter Khalifah, um químico no Brookhaven Lab e na Stony Brook University.

Hoje, a maioria dos materiais catódicos são compostos de camadas alternadas de íons de lítio e metais de transição, como o níquel. Dentro dessa estrutura em camadas, um pequeno número de defeitos geralmente pode ser encontrado. Isso significa que os átomos de um metal de transição podem ser encontrados onde um íon de lítio deveria estar e vice-versa.

"Você pode pensar em um defeito como um 'erro' na perfeição da estrutura do material, "Khalifah disse." É sabido que muitos defeitos levarão ao baixo desempenho da bateria, mas o que aprendemos é que um pequeno número de defeitos deve realmente melhorar as propriedades principais. "

Khalifah diz que existem duas propriedades que um bom material catódico terá:condutividade iônica (os íons de lítio podem se mover bem) e condutividade eletrônica (os elétrons podem se mover bem).

"A presença de um defeito é como abrir um buraco entre o íon de lítio e as camadas de metal de transição no cátodo, "disse ele." Em vez de ficar confinado a duas dimensões, os íons de lítio e elétrons podem se mover em três dimensões através das camadas. "

Para fazer esta conclusão, os cientistas precisavam conduzir experimentos de alta precisão que medissem a concentração de defeitos em um material catódico com uma precisão muito maior do que jamais foi feito antes.

"A concentração de defeitos em um material catódico pode variar entre dois e cinco por cento, "Khalifah disse." Antes, defeitos só podiam ser medidos com uma sensibilidade de cerca de um por cento. Neste estudo, medimos a concentração de defeitos com precisão requintada - uma sensibilidade de um décimo de um por cento. "

Para alcançar essa precisão, os cientistas realizaram análises de difração de pó usando dados de duas instalações de usuários do DOE Office of Science, a Advanced Photon Source (APS) no Argonne National Laboratory do DOE e a Spallation Neutron Source (SNS) no Oak Ridge National Laboratory do DOE.

A difração de pó é uma técnica de pesquisa poderosa que revela a localização de átomos individuais dentro de um material, direcionando feixes de raios-X, nêutrons, ou elétrons no material e estudar como os feixes difratam. Neste estudo, os cientistas realizaram medições de raios-X no APS e medições de nêutrons no SNS.

“Este trabalho desenvolveu uma nova forma de visualizar defeitos estruturais e sua relação com a difração e resistência de espalhamento, "disse Saul Lapidus, um físico da Divisão de Ciência de Raios-X da APS. "Espero que no futuro esta técnica seja usada comumente na comunidade de baterias para entender defeitos e caracterizações estruturais de materiais catódicos."

Khalifah acrescentou, "a capacidade de medir a concentração de elementos de dispersão fraca com a sensibilidade de um décimo de um por cento também será útil para muitas outras áreas de pesquisa, como medir as lacunas de oxigênio em materiais supercondutores ou catalisadores. "

Com essas medições precisas de concentrações de defeitos, os cientistas poderiam então estudar a relação entre os defeitos e a química do material catódico.

Em última análise, eles desenvolveram uma "receita" para alcançar qualquer concentração de defeito, que, no futuro, poderia orientar os cientistas a sintetizar cátodos de materiais mais baratos e ecológicos e, em seguida, ajustar suas concentrações de defeitos para o desempenho ideal da bateria.