Cientistas que buscam maneiras de melhorar a capacidade de uma bateria de manter a carga por mais tempo, usando materiais avançados que são seguros, estável e eficiente, determinaram que os próprios materiais são apenas parte da solução.

Na verdade, estudos na interface de materiais de bateria, junto com um maior conhecimento dos processos de trabalho, estão liberando uma onda de conhecimento necessário para atender mais rapidamente à demanda por eletrônicos portáteis de longa duração, veículos elétricos e armazenamento de energia estacionária para a rede elétrica.

"Se precisarmos de melhor armazenamento de energia, precisamos entender melhor o que acontece na interface entre o eletrólito e a bateria ou o material do supercapacitor, "disse Yury Gogotsi da Drexel University, o autor correspondente para um artigo de revisão prospectivo publicado em Nature Reviews Materials .

Drexel é uma universidade parceira da Fluid Interface Reactions, Estruturas e Transporte, ou PRIMEIRO, Centro, um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia localizado no Laboratório Nacional de Oak Ridge e financiado pelo Departamento de Energia.

Nos últimos 11 anos, um grupo de cientistas do centro FIRST focado em pesquisa eletroquímica tem estudado as interfaces de materiais para armazenamento de energia. "Esta é a chave - é aqui que acontece a ação no armazenamento de energia, "Gogotsi disse." Basicamente, esta é a fronteira do armazenamento de energia. "

O mercado de eletrônicos é dominado por baterias de íon de lítio e supercapacitores. Eles são usados ​​em vários consumidores e aplicações industriais que requerem armazenamento de energia eletroquímica, ou EES, dispositivos, porque eles são conhecidos por operar com segurança e eficiência em vários ambientes, especialmente em altas ou baixas temperaturas.

O eletrólito é um componente essencial em dispositivos EES. É a ponte condutora para o transporte de íons entre os eletrodos positivo e negativo. O quão bem esse processo ocorre determina o desempenho do dispositivo - a rapidez com que a bateria pode ser carregada e quanta energia ela pode fornecer quando descarregada. Alterações indesejadas no eletrólito também podem afetar o número de ciclos de carga que ele pode suportar antes que a bateria se torne menos eficiente.

De acordo com o artigo de revisão, os líquidos iônicos prometem ser uma alternativa segura aos eletrólitos orgânicos convencionais. Líquidos iônicos, ou ILs, são conhecidos por serem estáveis ​​e não inflamáveis ​​e tendem a não evaporar. Eles podem operar potencialmente até seis volts, que fornece a possibilidade de maior densidade de energia. (Uma bateria doméstica padrão tem cerca de 1,5 volts, e uma bateria de íon de lítio é de 3 a 3,5 volts.)

Contudo, a interação de TIs com materiais recém-desenvolvidos não é bem compreendida. Estudos de eletrodos aprimorados registraram tempos de carga mais rápidos, mas essas baterias usavam eletrólitos convencionais. Os ILs tendem a carregar mais lentamente; ainda, pesquisar eletrodos avançados e ILs na interface pode, em última análise, melhorar o desempenho da bateria ou do supercapacitor, aproveitando os benefícios conhecidos dos ILs.

A equipe de cientistas do ORNL, Drexel, Boston University e University of California, Riverside, sugerir uma abordagem holística para que todo o dispositivo de armazenamento de energia possa funcionar com sucesso.

"O principal objetivo desta revisão prospectiva é delinear a direção da pesquisa, guie a comunidade onde procurar soluções, aproveite as vantagens que os líquidos iônicos podem oferecer e resolva os problemas existentes para um armazenamento mais seguro de energia, " ele disse.

Para avançar com a combinação de milhares de líquidos iônicos com inúmeras opções de novos materiais avançados de bateria, será necessário poder computacional, aprendizado de máquina e inteligência artificial para lidar com grandes quantidades de dados e combinações possíveis e resultados potenciais.

O FIRST EFRC no ORNL emprega uma abordagem de modelagem computacional para alcançar a compreensão fundamental e modelos conceituais e computacionais validados experimentalmente de interfaces fluido-sólido encontradas em sistemas e dispositivos de energia avançados, incluindo baterias, supercapacitores e células foto e eletroquímicas.

O centro representa uma abordagem única, reunindo criativos, equipes científicas multidisciplinares para enfrentar os desafios mais difíceis, impedindo os avanços nas tecnologias de energia.

"A missão do nosso centro é alcançar a compreensão fundamental e validada, modelos preditivos das origens atomísticas do transporte de eletrólitos e elétrons acoplados sob nanoconfinamento. Isso permitirá avanços transformativos no armazenamento capacitivo de energia elétrica e outros sistemas interfaciais relevantes para a energia, "disse Sheng Dai do ORNL, quem lidera o FIRST EFRC.

"O profundo conhecimento do acoplamento de material do eletrodo-líquido iônico é parte da equação para cumprir nossa missão, " ele adicionou.

O artigo intitulou, "Acoplamento de material de eletrodo-líquido iônico para armazenamento de energia eletroquímica, "foi coautor de Xuehang Wang, Babak Anasori e Yury Gogotsi da Universidade Drexel; Maryam Salari, Jennifer Chapman Varela e Mark W. Grinstaff, da Boston University; De-en Jiang da Universidade da Califórnia, Riverside; e David J. Wesolowski e Sheng Dai do ORNL.