As primeiras horas de vida de uma bateria de íon de lítio determinam em grande parte o quão bem ela terá um desempenho. Naqueles momentos, um conjunto de moléculas se auto-monta em uma estrutura dentro da bateria que afetará a bateria nos próximos anos.

Este componente, conhecido como interfase de eletrólito sólido ou SEI, tem a tarefa crucial de bloquear algumas partículas enquanto permite que outras passem, como um segurança de taverna rejeitando indesejáveis ​​enquanto permite a entrada das celebridades. A estrutura tem sido um enigma para os cientistas que a estudam há décadas. Os pesquisadores usaram várias técnicas para aprender mais, mas nunca - até agora - haviam testemunhado sua criação em nível molecular.

Saber mais sobre o SEI é um passo crucial no caminho para criar mais energia, baterias de íon de lítio mais duradouras e seguras.

O trabalho foi publicado em 27 de janeiro em Nature Nanotechnology foi realizada por uma equipe internacional de cientistas liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia dos EUA e do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA. Os autores correspondentes incluem Zihua Zhu, Chongmin Wang e Zhijie Xu do PNNL e Kang Xu do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA.

Por que as baterias de íon de lítio funcionam:o SEI

A interfase de eletrólito sólido é uma película muito fina de material que não existe quando a bateria é construída. Somente quando a bateria é carregada pela primeira vez, as moléculas se agregam e reagem eletroquimicamente para formar a estrutura, que atua como uma porta de entrada permitindo que os íons de lítio passem para frente e para trás entre o ânodo e o cátodo. Crucialmente, o SEI força os elétrons a fazerem um desvio, que mantém a bateria funcionando e possibilita o armazenamento de energia.

É por causa do SEI que temos baterias de íon-lítio para alimentar nossos telefones celulares, laptops e veículos elétricos.

Mas os cientistas precisam saber mais sobre essa estrutura de portal. Que fatores separam as celebridades da gentalha em uma bateria de íon de lítio? Quais produtos químicos precisam ser incluídos no eletrólito, e em quais concentrações, para que as moléculas se formem nas estruturas SEI mais úteis para que não absorvam continuamente as moléculas do eletrólito, prejudicando o desempenho da bateria?

Os cientistas trabalham com uma variedade de ingredientes, prever como eles se combinarão para criar a melhor estrutura. Mas sem mais conhecimento sobre como a interfase de eletrólito sólido é criada, os cientistas são como chefs fazendo malabarismos com ingredientes, trabalhar com livros de receitas que foram escritos apenas parcialmente.

Explorando baterias de íon-lítio com novas tecnologias

Para ajudar os cientistas a entender melhor o SEI, a equipe usou a tecnologia patenteada do PNNL para analisar a estrutura conforme ela foi criada. Os cientistas usaram um feixe de íons energéticos para criar um túnel em um SEI recém-formado em uma bateria operacional, enviar parte do material no ar e capturá-lo para análise enquanto confia na tensão superficial para ajudar a conter o eletrólito líquido. Em seguida, a equipe analisou os componentes SEI usando um espectrômetro de massa.

A abordagem patenteada, conhecido como espectrometria de massa de íon secundário líquido in situ ou SIMS líquido, permitiu que a equipe tivesse uma visão sem precedentes do SEI à medida que ele se formava e contornasse os problemas apresentados por uma bateria de íon de lítio em funcionamento. A tecnologia foi criada por uma equipe liderada por Zhu, com base no trabalho anterior do SIMS do colega do PNNL Xiao-Ying Yu.

"Nossa tecnologia nos dá uma compreensão científica sólida da atividade molecular nesta estrutura complexa, "disse Zhu." As descobertas podem ajudar outros a adaptar a química do eletrólito e eletrodos para fazer baterias melhores. "

Pesquisadores do Exército dos EUA e do PNNL colaboram

A equipe PNNL conectada com Kang Xu, pesquisador do Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e especialista em eletrólito e SEI, e juntos eles abordaram a questão.

Os cientistas confirmaram o que os pesquisadores suspeitavam - que o SEI é composto de duas camadas. Mas a equipe foi muito mais longe, especificando a composição química precisa de cada camada e determinando as etapas químicas que ocorrem em uma bateria para produzir a estrutura.

A equipe descobriu que uma camada da estrutura, próximo ao ânodo, é fino, mas denso; esta é a camada que repele elétrons, mas permite a passagem de íons de lítio. A camada externa, bem ao lado do eletrólito, é mais espesso e medeia as interações entre o líquido e o resto do SEI. A camada interna é um pouco mais dura e a externa é mais líquida, um pouco como a diferença entre farinha de aveia mal cozida e demais.

O papel do fluoreto de lítio

Um dos resultados do estudo é uma melhor compreensão do papel do fluoreto de lítio no eletrólito usado nas baterias de íon-lítio. Vários pesquisadores, incluindo Kang Xu, mostraram que as baterias com SEIs mais ricas em fluoreto de lítio apresentam melhor desempenho. A equipe mostrou como o fluoreto de lítio se torna parte da camada interna do SEI, e as descobertas oferecem pistas sobre como incorporar mais flúor na estrutura.

"Com esta técnica, você aprende não apenas quais moléculas estão presentes, mas também como elas estão estruturadas, "Wang diz." Essa é a beleza desta tecnologia. "