p Conforme a demanda por smartphones, Veículos elétricos, e a energia renovável continua a crescer, os cientistas estão procurando maneiras de melhorar as baterias de íon-lítio - o tipo mais comum de bateria encontrado em eletrônicos domésticos e uma solução promissora para armazenamento de energia em escala de rede. O aumento da densidade de energia das baterias de íon-lítio pode facilitar o desenvolvimento de tecnologias avançadas com baterias de longa duração, bem como o uso generalizado de energia eólica e solar. Agora, os pesquisadores fizeram um progresso significativo para alcançar esse objetivo. p Uma colaboração liderada por cientistas da Universidade de Maryland (UMD), Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), e o Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA desenvolveram e estudaram um novo material catódico que poderia triplicar a densidade de energia dos eletrodos de bateria de íon-lítio. Sua pesquisa foi publicada em 13 de junho em Nature Communications .

p "As baterias de íon-lítio consistem em um ânodo e um cátodo, "disse Xiulin Fan, um cientista da UMD e um dos principais autores do artigo. "Em comparação com a grande capacidade dos ânodos de grafite comerciais usados ​​em baterias de íon-lítio, a capacidade dos cátodos é muito mais limitada. Os materiais catódicos são sempre o gargalo para melhorar ainda mais a densidade de energia das baterias de íons de lítio. "

p Cientistas da UMD sintetizaram um novo material catódico, uma forma modificada e projetada de trifluoreto de ferro (FeF3), que é composto de elementos econômicos e ambientalmente benignos - ferro e flúor. Os pesquisadores têm se interessado em usar compostos químicos como FeF3 em baterias de íon-lítio porque elas oferecem capacidades inerentemente mais altas do que os materiais catódicos tradicionais.

p "Os materiais normalmente usados ​​em baterias de íon-lítio são baseados em química de intercalação, "disse Enyuan Hu, um químico em Brookhaven e um dos principais autores do artigo. “Esse tipo de reação química é muito eficiente; no entanto, ele apenas transfere um único elétron, portanto, a capacidade do cátodo é limitada. Alguns compostos como o FeF3 são capazes de transferir vários elétrons por meio de um mecanismo de reação mais complexo, chamada de reação de conversão. "

p Apesar do potencial do FeF3 para aumentar a capacidade do cátodo, o composto não funcionou historicamente bem em baterias de íon-lítio devido a três complicações com sua reação de conversão:baixa eficiência energética (histerese), uma taxa de reação lenta, e reações colaterais que podem prejudicar a vida útil do ciclista. Para superar esses desafios, os cientistas adicionaram átomos de cobalto e oxigênio aos nanobastões de FeF3 por meio de um processo chamado substituição química. Isso permitiu aos cientistas manipular a via de reação e torná-la mais "reversível".

p "Quando os íons de lítio são inseridos em FeF3, o material é convertido em ferro e fluoreto de lítio, "disse Sooyeon Hwang, co-autor do artigo e cientista do Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Contudo, a reação não é totalmente reversível. Depois de substituir por cobalto e oxigênio, a estrutura principal do material do cátodo é melhor mantida e a reação torna-se mais reversível. "

p Para investigar o caminho da reação, os cientistas conduziram vários experimentos no CFN e na National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - duas instalações do DOE Office of Science User em Brookhaven.

p Primeiro na CFN, os pesquisadores usaram um poderoso feixe de elétrons para observar os nanobastões de FeF3 com uma resolução de 0,1 nanômetros - uma técnica chamada microscopia eletrônica de transmissão (TEM). O experimento TEM permitiu aos pesquisadores determinar o tamanho exato das nanopartículas na estrutura do cátodo e analisar como a estrutura mudou entre as diferentes fases do processo de carga-descarga. Eles viram uma velocidade de reação mais rápida para os nanobastões substituídos.

p "TEM é uma ferramenta poderosa para caracterizar materiais em escalas de comprimento muito pequenas, e também é capaz de investigar o processo de reação em tempo real, "disse Dong Su, cientista do CFN e co-autor do estudo. "Contudo, podemos ver apenas uma área muito limitada da amostra usando TEM. Precisávamos contar com as técnicas de síncrotron do NSLS-II para entender como toda a bateria funciona. "

p Na linha de luz de difração de pó de raios-X (XPD) do NSLS-II, os cientistas direcionaram raios-x ultrabrilhantes através do material catódico. Ao analisar como a luz se espalhou, os cientistas podiam "ver" informações adicionais sobre a estrutura do material.

p "No XPD, realizamos medições de função de distribuição de pares (PDF), que são capazes de detectar pedidos locais de ferro em um grande volume, "disse Jianming Bai, um co-autor do artigo e um cientista do NSLS-II. "A análise de PDF nos cátodos descarregados revelou claramente que a substituição química promove reversibilidade eletroquímica."

p A combinação de técnicas de imagem e microscopia altamente avançadas no CFN e no NSLS-II foi uma etapa crítica para avaliar a funcionalidade do material catódico.

p "Também realizamos abordagens computacionais avançadas com base na teoria do funcional da densidade para decifrar o mecanismo de reação em escala atômica, "disse Xiao Ji, um cientista da UMD e co-autor do artigo. "Esta abordagem revelou que a substituição química mudou a reação para um estado altamente reversível, reduzindo o tamanho das partículas de ferro e estabilizando a fase de sal rochoso." Cientistas da UMD dizem que esta estratégia de pesquisa pode ser aplicada a outros materiais de conversão de alta energia, e estudos futuros podem usar a abordagem para melhorar outros sistemas de bateria.