Cientistas de materiais que estudam os fundamentos da recarga fizeram uma descoberta surpreendente que pode abrir a porta para baterias melhores, catalisadores mais rápidos e outros saltos da ciência de materiais.

Cientistas da Universidade da Califórnia em San Diego e do Laboratório Nacional de Idaho examinaram os primeiros estágios da recarga de lítio e descobriram que, lentamente, o carregamento de baixa energia faz com que os eletrodos coletem átomos de forma desorganizada, o que melhora o comportamento de carregamento. Este lítio "vítreo" não cristalino nunca foi observado, e a criação de tais metais amorfos tem sido tradicionalmente extremamente difícil.

As descobertas sugerem estratégias para aperfeiçoar abordagens de recarga para aumentar a vida da bateria e - mais intrigante - para fazer metais vítreos para outras aplicações. O estudo foi publicado em 27 de julho em Materiais da Natureza .

Cobrando conhecidos, desconhecidos

O metal de lítio é o ânodo preferido para baterias recarregáveis ​​de alta energia. No entanto, o processo de recarga (depositar átomos de lítio na superfície do ânodo) não é bem compreendido em nível atômico. A forma como os átomos de lítio se depositam no ânodo pode variar de um ciclo de recarga para o próximo, levando à recarga errática e redução da vida útil da bateria.

A equipe do INL / UC San Diego questionou se os padrões de recarga foram influenciados pela primeira congregação dos primeiros átomos, um processo conhecido como nucleação.

"Essa nucleação inicial pode afetar o desempenho da bateria, segurança e confiabilidade, "disse Gorakh Pawar, um cientista da equipe do INL e um dos dois autores principais do artigo.

Observando a formação de embriões de lítio

Os pesquisadores combinaram imagens e análises de um poderoso microscópio eletrônico com resfriamento de nitrogênio líquido e modelagem por computador. A microscopia eletrônica de crioestado permitiu-lhes ver a criação de embriões de metal de lítio, "e as simulações de computador ajudaram a explicar o que viram.

Em particular, eles descobriram que certas condições criavam uma forma menos estruturada de lítio que era amorfa (como o vidro) em vez de cristalina (como o diamante).

"O poder da imagem criogênica para descobrir novos fenômenos na ciência dos materiais é mostrado neste trabalho, "disse Shirley Meng, autor correspondente e pesquisador que liderou o trabalho pioneiro de crio-microscopia da UC San Diego. Meng é professor de NanoEngenharia, e Diretor do Centro de Energia e Energia Sustentável da UC San Diego, e o Instituto de Descoberta e Design de Materiais. Os dados de imagem e espectroscópicos são frequentemente complicados, ela disse. "O verdadeiro trabalho em equipe nos permitiu interpretar os dados experimentais com confiança porque a modelagem computacional ajudou a decifrar a complexidade."

Uma surpresa vítrea

Metais elementares amorfos puros nunca haviam sido observados antes. Eles são extremamente difíceis de produzir, assim, misturas de metais (ligas) são normalmente necessárias para atingir uma configuração "vítrea", que confere propriedades materiais poderosas.

Durante a recarga, embriões de lítio vítreo eram mais propensos a permanecer amorfos durante o crescimento. Enquanto estudava quais condições favoreciam a nucleação vítrea, a equipe foi surpreendida novamente.

"Podemos fazer metal amorfo em condições muito suaves com uma taxa de carregamento muito lenta, "disse Boryann Liaw, um membro da diretoria do INL e líder do INL no trabalho. "É bastante surpreendente."

Esse resultado foi contra-intuitivo, porque os especialistas presumiram que as taxas de deposição lentas permitiriam que os átomos encontrassem seu caminho em uma ordem, lítio cristalino. No entanto, o trabalho de modelagem explicou como a cinética da reação conduz a formação vítrea. A equipe confirmou essas descobertas criando formas vítreas de mais quatro metais reativos que são atraentes para aplicações em baterias.

Os resultados da pesquisa podem ajudar a cumprir as metas do consórcio Battery500, uma iniciativa do Departamento de Energia que financiou a pesquisa. O consórcio visa desenvolver baterias de veículos elétricos comercialmente viáveis ​​com uma energia específica de nível de célula de 500 Wh / kg. Mais, este novo entendimento pode levar a catalisadores de metal mais eficazes, revestimentos de metal mais fortes e outras aplicações que podem se beneficiar de metais vítreos.