Uma nova abordagem para analisar e projetar novos condutores de íons - um componente-chave das baterias recarregáveis ​​- poderia acelerar o desenvolvimento de baterias de lítio de alta energia, e possivelmente outros dispositivos de armazenamento e distribuição de energia, como células de combustível, pesquisadores dizem.

A nova abordagem se baseia na compreensão de como as vibrações se movem através da rede cristalina dos condutores de íons de lítio e correlaciona isso com a maneira como inibem a migração de íons. Isso fornece uma maneira de descobrir novos materiais com mobilidade de íons aprimorada, permitindo carregamento e descarregamento rápido. Ao mesmo tempo, o método pode ser usado para reduzir a reatividade do material com os eletrodos da bateria, o que pode encurtar sua vida útil. Essas duas características - melhor mobilidade de íons e baixa reatividade - tendem a ser mutuamente exclusivas.

O novo conceito foi desenvolvido por uma equipe liderada por W.M. Professor Keck de Energia Yang Shao-Horn, estudante de graduação Sokseiha Muy, recém-formado John Bachman Ph.D. '17, e a cientista pesquisadora Livia Giordano, junto com outros nove no MIT, Laboratório Nacional de Oak Ridge, e instituições em Tóquio e Munique. Suas descobertas foram relatadas no jornal Energia e Ciência Ambiental .

O novo princípio de design levou cerca de cinco anos para ser criado, Shao-Horn diz. O pensamento inicial começou com a abordagem que ela e seu grupo usaram para entender e controlar catalisadores para divisão de água, e aplicá-lo à condução de íons - o processo que está no cerne não apenas das baterias recarregáveis, mas também outras tecnologias importantes, como células de combustível e sistemas de dessalinização. Enquanto os elétrons, com sua carga negativa, fluxo de um pólo da bateria para o outro (fornecendo energia para os dispositivos), íons positivos fluem na direção contrária, através de um eletrólito, ou condutor de íons, imprensado entre esses pólos, para completar o fluxo.

Tipicamente, esse eletrólito é um líquido. Um sal de lítio dissolvido em um líquido orgânico é um eletrólito comum nas baterias de íon de lítio atuais. Mas essa substância é inflamável e às vezes faz com que essas baterias pegem fogo. A busca continua por um material sólido para substituí-lo, o que eliminaria esse problema.

Existe uma variedade de condutores de íons sólidos promissores, mas nenhum é estável quando em contato com os eletrodos positivo e negativo em baterias de íon-lítio, Shao-Horn diz. Portanto, é fundamental buscar novos condutores de íons sólidos que tenham alta condutividade e estabilidade de íons. Mas examinar as muitas famílias e composições estruturais diferentes para encontrar as mais promissoras é uma agulha clássica em um problema de palheiro. É aí que entra o novo princípio de design.

A ideia é encontrar materiais que tenham condutividade iônica comparável à dos líquidos, mas com a estabilidade de longo prazo dos sólidos. A equipe perguntou, "Qual é o princípio fundamental? Quais são os princípios de design em um nível estrutural geral que governam as propriedades desejadas?" Shao-Horn diz. Uma combinação de análise teórica e medidas experimentais já rendeu algumas respostas, dizem os pesquisadores.

“Percebemos que há muitos materiais que podem ser descobertos, mas nenhum entendimento ou princípio comum que nos permite racionalizar o processo de descoberta, "diz Muy, o autor principal do artigo. "Tivemos uma ideia que poderia resumir nosso entendimento e prever quais materiais estariam entre os melhores."

A chave era olhar para as propriedades de rede das estruturas cristalinas desses materiais sólidos. Isso governa como as vibrações, como ondas de calor e som, conhecidos como fônons, passar por materiais. Essa nova maneira de olhar as estruturas acabou permitindo previsões precisas das propriedades reais dos materiais. "Depois de saber [a frequência vibracional de um determinado material], você pode usá-lo para prever uma nova química ou para explicar os resultados experimentais, "Shao-Horn diz.

Os pesquisadores observaram uma boa correlação entre as propriedades da rede determinadas usando o modelo e a condutividade do material condutor do íon de lítio. "Fizemos alguns experimentos para apoiar essa ideia experimentalmente" e descobrimos que os resultados combinaram bem, ela diz.

Eles encontraram, em particular, que a frequência vibracional do próprio lítio pode ser ajustada ajustando sua estrutura de rede, usando substituição química ou dopantes para alterar sutilmente o arranjo estrutural dos átomos.

O novo conceito agora pode fornecer uma ferramenta poderosa para o desenvolvimento de novos, materiais de melhor desempenho que podem levar a melhorias dramáticas na quantidade de energia que pode ser armazenada em uma bateria de determinado tamanho ou peso, bem como maior segurança, dizem os pesquisadores. Já, eles usaram o método para encontrar alguns candidatos promissores. E as técnicas também podem ser adaptadas para analisar materiais para outros processos eletroquímicos, como células de combustível de óxido sólido, sistemas de dessalinização baseados em membrana, ou reações geradoras de oxigênio.

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.