Há um velho ditado:"Você deve aprender a andar antes de aprender a correr." Apesar de tanta sabedoria, várias indústrias pulam o básico e se inscrevem em maratonas, incluindo a indústria de baterias.

As baterias de íon de lítio oferecem uma promessa incrível de maior capacidade de armazenamento, mas eles são voláteis. Todos nós já ouvimos as notícias sobre baterias de íon de lítio em telefones - principalmente o Samsung Galaxy 7 - fazendo com que os telefones pegem fogo.

Grande parte do problema decorre do uso de eletrólito líquido inflamável dentro da bateria. Uma abordagem é usar um eletrólito sólido não inflamável junto com um eletrodo de metal de lítio. Isso aumentaria a energia da bateria e, ao mesmo tempo, diminuiria a possibilidade de incêndio.

Essencialmente, o destino é construir baterias de estado sólido da próxima geração que não explodem. A jornada é compreender fundamentalmente o lítio.

"Todo mundo está apenas olhando para os componentes de armazenamento de energia da bateria, "diz Erik Herbert, professor assistente de ciência de materiais e engenharia na Michigan Technological University. "Muito poucos grupos de pesquisa estão interessados ​​em compreender os elementos mecânicos. Mas, vejam só, estamos descobrindo que as propriedades mecânicas do próprio lítio podem ser a peça-chave do quebra-cabeça. "

Os pesquisadores da Michigan Tech contribuem significativamente para obter uma compreensão fundamental do lítio com os resultados publicados hoje em uma série de três artigos convidados no Journal of Materials Research, publicado em conjunto pela Materials Research Society e Cambridge University Press. Herbert e Stephen Hackney, professor de ciência e engenharia de materiais, junto com Violet Thole, um estudante de graduação na Michigan Tech, Nancy Dudney no Laboratório Nacional de Oak Ridge e Sudharshan Phani no Centro Internacional de Pesquisa Avançada para Metalurgia do Pó e Novos Materiais, compartilhar resultados que ressaltam a importância do comportamento mecânico do lítio no controle do desempenho e da segurança das baterias da próxima geração.

Como um ciclo de congelamento-degelo danificando o concreto, dendritos de lítio danificam baterias

O lítio é um metal extremamente reativo, o que o torna sujeito a comportamentos inadequados. Mas também é muito bom para armazenar energia. Queremos nossos telefones (e computadores, tablets e outros dispositivos eletrônicos) para carregar o mais rápido possível, e assim os fabricantes de baterias enfrentam pressões duplas:faça baterias que carreguem muito rapidamente, passando uma carga entre o cátodo e o ânodo o mais rápido possível, e tornar as baterias confiáveis, apesar de serem carregadas repetidamente.

O lítio é um metal muito macio, mas não se comporta como esperado durante a operação com bateria. A pressão crescente que ocorre inextricavelmente durante o carregamento e descarregamento de uma bateria resulta em dedos microscópicos de lítio chamados dendritos para preencher falhas microscópicas preexistentes e inevitáveis ​​- ranhuras, poros e arranhões - na interface entre o ânodo de lítio e o separador de eletrólito sólido.

Durante o ciclismo contínuo, esses dendritos podem forçar sua entrada, e eventualmente através, a camada de eletrólito sólido que separa fisicamente o ânodo e o cátodo. Uma vez que um dendrito atinge o cátodo, o dispositivo entra em curto-circuito e falha, frequentemente catastroficamente. A pesquisa de Herbert e Hackney se concentra em como o lítio atenua a pressão que se desenvolve naturalmente durante o carregamento e o descarregamento de uma bateria de estado sólido.

Seu trabalho documenta o comportamento notável do lítio em escalas de comprimento submicrônicas - perfurando os menores e possivelmente mais confusos atributos do lítio. Ao recortar filmes de lítio com uma sonda com ponta de diamante para deformar o metal, os pesquisadores exploram como o metal reage à pressão. Seus resultados confirmam a força inesperadamente alta do lítio em escalas pequenas relatada no início deste ano por pesquisadores da Cal Tech.

Herbert e Hackney constroem com base nessa pesquisa, fornecendo o primeiro, explicação mecânica da resistência surpreendentemente alta do lítio.

A capacidade do lítio de difundir ou reorganizar seus próprios átomos ou íons na tentativa de aliviar a pressão imposta pela ponta do indentador, mostrou aos pesquisadores a importância da velocidade com que o lítio é deformado (que está relacionado à rapidez com que as baterias são carregadas e descarregadas), bem como os efeitos de defeitos e desvios no arranjo de íons de lítio que compõem o ânodo.

Detalhando para entender o comportamento do lítio

No artigo "Nanoindentação de filmes de lítio depositados por vapor de alta pureza:Módulo elástico, "os pesquisadores medem as propriedades elásticas do lítio para refletir as mudanças na orientação física dos íons de lítio. Esses resultados enfatizam a necessidade de incorporar as propriedades elásticas dependentes da orientação do lítio em todos os trabalhos de simulação futuros. Herbert e Hackney também fornecem evidências experimentais que indicam que o lítio pode ter uma capacidade aprimorada de transformar energia mecânica em calor em escalas de comprimento inferiores a 500 nanômetros.

No artigo a seguir, "Nanoindentação de filmes de lítio depositados por vapor de alta pureza:uma racionalização mecanística do fluxo mediado por difusão, "Herbert e Hackney documentam a resistência notavelmente alta do lítio em escalas de comprimento inferiores a 500 nanômetros, e eles fornecem sua estrutura original, que visa explicar como a capacidade do lítio de gerenciar a pressão é controlada pela difusão e a taxa na qual o material é deformado.

Finalmente, em "Nanoindentação de filmes de lítio depositados por vapor de alta pureza:Uma racionalização mecanicista da transição da difusão para o fluxo mediado por deslocamento, "os autores fornecem um modelo estatístico que explica as condições em que o lítio sofre uma transição abrupta que facilita ainda mais sua capacidade de aliviar a pressão. Eles também fornecem um modelo que vincula diretamente o comportamento mecânico do lítio ao desempenho da bateria.

"Estamos tentando entender os mecanismos pelos quais o lítio alivia a pressão em escalas de comprimento que são proporcionais aos defeitos interfaciais, "Herbert diz. Melhorar nossa compreensão dessa questão fundamental permitirá diretamente o desenvolvimento de uma interface estável que promova segurança, desempenho de ciclismo de longo prazo e de alta taxa.

Herbert diz:"Espero que nosso trabalho tenha um impacto significativo na direção que as pessoas tomam ao tentar desenvolver dispositivos de armazenamento de próxima geração."