As partículas que compõem os eletrodos da bateria de íon-lítio são microscópicas, mas poderosas:elas determinam quanta carga a bateria pode armazenar, quão rápido ele carrega e descarrega e como ele se mantém ao longo do tempo - tudo crucial para o alto desempenho em um veículo elétrico ou dispositivo eletrônico.

Rachaduras e reações químicas na superfície de uma partícula podem degradar o desempenho, e toda a capacidade da partícula de absorver e liberar íons de lítio também muda com o tempo. Os cientistas estudaram ambos, mas até agora eles nunca haviam olhado tanto para a superfície quanto para o interior de uma partícula individual para ver como o que acontece em uma afeta a outra.

Em um novo estudo, uma equipe de pesquisa liderada por Yijin Liu no Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia fez isso. Eles colaram uma única partícula de cátodo de bateria, mais ou menos do tamanho de um glóbulo vermelho, na ponta de uma agulha e sondou sua superfície e interior em 3-D com dois instrumentos de raio-X. Eles descobriram que rachaduras e mudanças químicas na superfície da partícula variavam muito de um lugar para outro e correspondiam a áreas de rachaduras microscópicas nas profundezas da partícula que minavam sua capacidade de armazenar energia.

"Nossos resultados mostram que a superfície e o interior de uma partícula se comunicam, basicamente, "disse o cientista-chefe do SLAC, Yijin Liu, que liderou o estudo no laboratório Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL). "Entender essa conversa química nos ajudará a projetar a partícula inteira para que a bateria possa ciclar mais rápido, por exemplo."

Os cientistas descrevem suas descobertas em Nature Communications hoje.

Danos internos e externos

Uma bateria de íon de lítio armazena e libera energia movendo os íons de lítio através de um eletrólito para frente e para trás entre dois eletrodos, o ânodo e o cátodo. Quando você carrega a bateria, íons de lítio entram no ânodo para armazenamento. Quando você usa a bateria, os íons deixam o ânodo e fluem para o cátodo, onde eles geram um fluxo de corrente elétrica.

Cada eletrodo consiste em muitas partículas microscópicas, e cada partícula contém grãos ainda menores. Sua estrutura e química são essenciais para o desempenho da bateria. Conforme a bateria carrega e descarrega, íons de lítio penetram e saem dos espaços entre os átomos das partículas, fazendo com que eles inchem e encolham. Com o tempo, isso pode rachar e quebrar partículas, reduzindo sua capacidade de absorver e liberar íons. As partículas também reagem com o eletrólito circundante para formar uma camada superficial que atrapalha a entrada e saída de íons. Conforme as rachaduras se desenvolvem, o eletrólito penetra mais profundamente para danificar o interior.

Este estudo se concentrou em partículas feitas de um óxido em camadas rico em níquel, que pode teoricamente armazenar mais carga do que os materiais da bateria de hoje. Ele também contém menos cobalto, tornando-o mais barato e menos eticamente problemático, uma vez que alguma mineração de cobalto envolve condições desumanas, Disse Liu.

Só há um problema:a capacidade das partículas de armazenar carga diminui rapidamente durante várias rodadas de carregamento de alta voltagem - o tipo usado para carregar veículos elétricos com carga rápida.

"Você tem milhões de partículas em um eletrodo. Cada uma é como uma bola de arroz com muitos grãos, "Liu disse." Eles são os blocos de construção da bateria, e cada um é único, assim como cada pessoa tem características diferentes. "

Domando um material de última geração

Liu disse que os cientistas estão trabalhando em duas abordagens básicas para minimizar os danos e aumentar o desempenho das partículas:Colocar uma camada protetora na superfície e empacotar os grãos de maneiras diferentes para alterar a estrutura interna. "Qualquer uma das abordagens pode ser eficaz, "Liu disse, "mas combiná-los seria ainda mais eficaz, e é por isso que temos que abordar o quadro geral. "

Shaofeng Li, um estudante visitante de graduação da SSRL que ingressará no SLAC como pesquisador de pós-doutorado, conduziram experimentos de raios-X que examinaram uma única partícula catódica montada em agulha de uma bateria carregada com dois instrumentos - um examinando a superfície, o outro sondando o interior. Com base nos resultados, teóricos liderados por Kejie Zhao, um professor associado da Purdue University, desenvolveu um modelo de computador mostrando como o carregamento teria danificado a partícula em um período de 12 minutos e como esse padrão de dano reflete as interações entre a superfície e o interior.

"A imagem que estamos obtendo é que existem variações em todos os lugares da partícula, "Liu disse." Por exemplo, certas áreas da superfície degradam mais do que outras, e isso afeta como o interior responde, o que, por sua vez, faz com que a superfície se degrade de uma maneira diferente. "

Agora, ele disse, a equipe planeja aplicar esta técnica a outros materiais de eletrodo que eles estudaram no passado, com atenção especial para como a velocidade de carregamento afeta os padrões de danos. "Você quer carregar seu carro elétrico em 10 minutos em vez de várias horas, " ele disse, "então esta é uma direção importante para estudos de acompanhamento."