As baterias recarregáveis ​​de íon de lítio não duram para sempre – depois de ciclos suficientes de carregamento e recarga, elas eventualmente se esgotam, então os pesquisadores estão constantemente procurando maneiras de extrair um pouco mais de vida de seus projetos de bateria.
Agora, pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e colegas da Purdue University, Virginia Tech e da European Synchrotron Radiation Facility descobriram que os fatores por trás da deterioração da bateria realmente mudam com o tempo. No início, o decaimento parece ser impulsionado pelas propriedades das partículas de eletrodos individuais, mas após várias dezenas de ciclos de carregamento, é como essas partículas são reunidas que importa mais.

“Os blocos de construção fundamentais são essas partículas que compõem o eletrodo da bateria, mas quando você diminui o zoom, essas partículas interagem umas com as outras”, disse o cientista do SLAC Yijin Liu, pesquisador do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource do laboratório e autor sênior do estudo. novo papel. Portanto, "se você deseja construir uma bateria melhor, precisa ver como juntar as partículas".

Vendo a floresta para as árvores

O novo estudo, publicado em 29 de abril na Science , baseia-se em pesquisas anteriores em que Liu e seus colegas usaram técnicas de visão computacional para estudar como as partículas individuais que compõem um eletrodo de bateria recarregável se separam ao longo do tempo. O objetivo desta vez era estudar não apenas partículas individuais, mas as maneiras como elas trabalham juntas para prolongar – ou degradar – a vida útil da bateria.

Keije Zhao, um professor de engenharia mecânica de Purdue que com Liu e o professor de química da Virginia Tech Feng Lin foi um autor sênior, comparou o problema a pessoas que trabalham em grupos. "As partículas de bateria são como pessoas - todos nós começamos seguindo nosso próprio caminho", disse Zhao "Mas eventualmente encontramos outras pessoas e acabamos em grupos, indo na mesma direção. Para entender a eficiência máxima, precisamos estudar ambos o comportamento individual das partículas e como essas partículas se comportam em grupos."

Para explorar essa ideia, os co-primeiros autores Jizhou Li, pós-doutorado do SSRL, e Nikhil Sharma, estudante de pós-graduação de Purdue, se uniram a Liu, Lin e Zhao e outros colegas para estudar cátodos de bateria com raios-X. Eles usaram tomografia de raios X para reconstruir imagens tridimensionais dos cátodos depois de terem passado por 10 ou 50 ciclos de carregamento. Eles cortaram essas imagens 3-D em uma série de fatias 2-D e usaram métodos de visão computacional para identificar partículas.

A vida útil de uma bateria

No final, eles identificaram mais de 2.000 partículas individuais, para as quais calcularam não apenas as características individuais das partículas, como tamanho, forma e rugosidade da superfície, mas também características mais globais, como a frequência com que as partículas entraram em contato direto umas com as outras e quão variadas as formas das partículas eram.

Em seguida, eles analisaram como cada uma dessas propriedades contribuiu para a quebra das partículas, e um padrão impressionante surgiu. Após 10 ciclos de carregamento, os maiores fatores foram as propriedades das partículas individuais, incluindo o quão esféricas as partículas eram e a razão entre o volume das partículas e a área de superfície. Após 50 ciclos, no entanto, atributos de pares e grupos - como a distância entre duas partículas, a variedade de formas e se as partículas mais alongadas em forma de bola de futebol foram orientadas de maneira semelhante - levaram à quebra de partículas.

"Não é mais apenas a partícula em si. São as interações partícula-partícula" que importam, disse Liu. Isso é importante, disse ele, porque significa que os fabricantes podem desenvolver técnicas para controlar essas propriedades. Por exemplo, eles podem usar campos magnéticos ou elétricos para alinhar partículas alongadas umas com as outras, o que os novos resultados sugerem que resultaria em maior vida útil da bateria.

E, segundo o coautor sênior e químico da Virginia Tech, Feng Lin, os resultados podem ser aplicados além das particularidades da presente pesquisa. "Este estudo realmente esclarece como podemos projetar e fabricar eletrodos de bateria para obter um ciclo de vida longo para as baterias", disse Lin. "Estamos empolgados em implementar o entendimento para baterias de carregamento rápido, de baixo custo e de próxima geração". + Explorar mais

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