Carregar e descarregar uma célula de bateria transforma seu material de eletrodo em um "super" material.
Na última década, avanços em pesquisa e desenvolvimento levaram a baterias de íons de lítio mais eficientes. No entanto, deficiências significativas permanecem. Um desafio é a necessidade de carregamento mais rápido, o que pode ajudar a acelerar a adoção de veículos elétricos.

Uma equipe de pesquisa liderada pela Boise State University e pela University of California San Diego adotou uma abordagem não convencional para esse problema. Usando os recursos do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), eles criaram um material de alto desempenho para eletrodos de bateria. O composto, pentóxido de nióbio, tem uma nova estrutura cristalina. Ele mostra a promessa de acelerar o carregamento e fornecer excelente capacidade de armazenamento.

O estudo da equipe foi publicado em Nature Materials em maio de 2022.

Durante o carregamento, os íons de lítio se movem do eletrodo positivo (cátodo) para o eletrodo negativo (ânodo), geralmente feito de grafite. Em velocidades de carregamento mais altas, o metal de lítio tende a se acumular na superfície do grafite. Esse efeito, conhecido como chapeamento, tende a degradar o desempenho e pode causar curto-circuito, superaquecimento e incêndio nas baterias.

O pentóxido de nióbio é muito menos suscetível ao revestimento, tornando-o potencialmente mais seguro e durável que o grafite. Além disso, seus átomos podem se organizar em muitas configurações estáveis ​​diferentes que não requerem muita energia para serem reconfiguradas. Isso apresenta oportunidades para os pesquisadores descobrirem novas estruturas que podem melhorar o desempenho da bateria.

Para este estudo, os pesquisadores construíram uma célula tipo moeda com pentóxido de nióbio como material do eletrodo. (Uma célula tipo moeda, também conhecida como célula botão, é um pequeno dispositivo de bateria em formato circular.) O pentóxido de nióbio tinha uma estrutura amorfa — em outras palavras, um arranjo desordenado de átomos. Quando a célula foi carregada e descarregada várias vezes, a estrutura desordenada se transformou em uma estrutura ordenada e cristalina. Essa estrutura particular nunca havia sido relatada anteriormente na literatura científica.

Em comparação com o arranjo desordenado, a estrutura cristalina permitiu o transporte mais fácil e rápido de íons de lítio para o ânodo durante o carregamento. Essa descoberta aponta para a promessa do material de carregamento rápido, e outras medições sugerem que ele pode armazenar uma grande quantidade de carga.

Argonne fornece várias ferramentas complementares

Por causa das mudanças complexas durante o ciclo de carga-descarga, várias ferramentas complementares de diagnóstico foram necessárias para uma compreensão abrangente. É aí que Argonne - e um par de instalações de usuários do DOE Office of Science no laboratório - entraram.

Yuzi Liu, cientista do Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne, usou uma técnica chamada microscopia eletrônica de transmissão para verificar a transformação estrutural de amorfo para cristalino. Esta técnica envia feixes de elétrons de alta energia através de uma amostra de material. Ele cria imagens digitais com base na interação dos elétrons com a amostra. As imagens mostram como os átomos estão organizados.

"Como o feixe de elétrons está focado em uma pequena área da amostra, a técnica fornece informações detalhadas sobre essa área específica", disse Liu.

Hua Zhou, físico da Advanced Photon Source (APS) de Argonne, confirmou a mudança estrutural com outra técnica conhecida como difração de raios X síncrotron. Isso envolve atingir a amostra com feixes de raios X de alta energia, que são espalhados pelos elétrons dos átomos no material. Um detector mede essa dispersão para caracterizar a estrutura do material.

A difração de raios X é eficaz para fornecer informações sobre mudanças estruturais gerais em uma amostra de material inteira. Isso pode ser útil no estudo de materiais de eletrodos de baterias porque suas estruturas tendem a variar de uma área para outra.

"Ao atingir o material do ânodo com feixes de raios-X em diferentes ângulos, confirmei que era uniformemente cristalino ao longo da superfície e no interior", disse Zhou.

A pesquisa também se baseou em outros recursos do Argonne para caracterizar materiais. Justin Connell, cientista de materiais do Laboratório de Descoberta Eletroquímica de Argonne, usou uma ferramenta chamada espectroscopia de fotoelétrons de raios X para avaliar o material do ânodo. Connell disparou feixes de raios X no ânodo, ejetando elétrons dele com uma certa energia.

"A técnica revelou que os átomos de nióbio ganham vários elétrons à medida que a célula é carregada", disse Connell. "Isso sugere que o ânodo tem uma alta capacidade de armazenamento."

O físico de Argonne, Sungsik Lee, também avaliou o ganho e a perda de elétrons do nióbio. Ele usou outra técnica chamada espectroscopia de absorção de raios-X. Isso envolveu atingir o material do ânodo com intensos feixes de raios X síncrotron e medir a transmissão e absorção dos raios X no material.

"A técnica forneceu uma imagem geral do estado dos elétrons em todo o ânodo", disse Lee. "Isso confirmou que o nióbio ganha vários elétrons."

Argonne é incomum, pois possui todos esses recursos de pesquisa em seu campus. Claire Xiong, investigadora principal do estudo, fez sua pesquisa de pós-doutorado no CNM de Argonne antes de ingressar na faculdade da Boise State como cientista de materiais. Ela estava bastante familiarizada com as extensas capacidades do Argonne e já havia colaborado com os cientistas do Argonne que contribuíram para o estudo.

"As instalações e a equipe de Argonne são de classe mundial", disse Xiong. "Este trabalho para descobrir a transformação única em pentóxido de nióbio se beneficiou tremendamente da colaboração com os cientistas de Argonne. Também se beneficiou do acesso ao APS, Laboratório de Descoberta Eletroquímica e CNM."

É muito difícil fazer o pentóxido de nióbio cristalino de alto desempenho com métodos de síntese tradicionais, como aqueles que submetem os materiais ao calor e à pressão. A abordagem de síntese não convencional usada com sucesso neste estudo – carregar e descarregar uma célula de bateria – poderia ser aplicada para fazer outros materiais de bateria inovadores. Poderia até mesmo apoiar a fabricação de novos materiais em outros campos, como semicondutores e catalisadores. + Explorar mais

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