Um novo detector de radiofrequência, fino como papel, projetado para funcionar dentro de uma bateria de íon de lítio fornece informações sobre a integridade da bateria durante o carregamento e o descarregamento.

"Isso pode permitir que os pesquisadores verifiquem a função e a capacidade de uma bateria após anos de armazenamento sem destruí-la, "disse Eric Sorte, um físico do Sandia National Laboratories.

O trabalho, financiado pelo programa de Pesquisa e Desenvolvimento Dirigido pelo Laboratório da Sandia, ajudará os pesquisadores a entender e caracterizar melhor as baterias para melhorá-las para armazenamento renovável e aplicações de segurança nacional. Os fabricantes também podem usar isso um dia para executar testes de diagnóstico, Disse Sorte.

Detector de ressonância magnética movido dentro da bateria

Como uma bateria de íon de lítio alimenta um dispositivo eletrônico e recarrega, mudanças químicas e físicas acontecem internamente e reduzem sua função ao longo do tempo. Os produtos secundários moleculares se formam à medida que os íons de lítio se aninham e saem de cada eletrodo. Essas moléculas podem consumir o lítio ativo e reduzir a capacidade da bateria. Os eletrodos também podem sofrer alterações químicas indesejadas, reduzindo sua capacidade de permanecer carregada. Picos microscópicos de lítio podem crescer da superfície de um eletrodo, consumindo íons carregadores de carga essenciais e criando condições potencialmente inflamáveis.

Enquanto os pesquisadores trabalham para melhorar o desempenho das baterias de íon-lítio, eles ajustam os componentes químicos da bateria e fazem o sistema passar por muitas cargas e descargas. Em seguida, eles abrem a bateria e examinam os materiais sob um microscópio para ver como sua estrutura e composição mudaram.

Os pesquisadores poderiam obter essas informações com muito mais rapidez se pudessem monitorar as condições dentro de uma bateria durante o carregamento e o descarregamento. Uma maneira que eles fazem isso atualmente é com uma técnica que usa os mesmos princípios da ressonância magnética em hospitais. Este método fornece pistas sobre a estrutura e o ambiente de uma molécula, observando os sinais de um elemento específico dessa molécula.

Funciona assim:primeiro, o instrumento envia um pulso de ondas de rádio adaptadas para interagir com um núcleo atômico específico em elementos como o lítio, enxofre ou hidrogênio. À medida que um núcleo volta ao seu estado original, ele emite um sinal que muda de forma previsível, dependendo dos arredores de um átomo.

Os pesquisadores já usaram essa técnica para observar as mudanças químicas em baterias antes, mas eles tiveram que modificar os componentes da bateria de maneiras que não existem em baterias funcionais. Este novo detector, criado por Sorte junto com o cientista de materiais Sandia Todd Alam e outros colegas, foi projetado para funcionar com baterias, pois são feitas para o uso diário. É mais fino do que uma folha de papel e pode ser feito para caber em uma bateria de qualquer formato.

Os pesquisadores já o colocaram dentro de uma bateria disponível comercialmente. Eles imaginam um dia inserir a tira do detector dentro de uma bateria durante a fabricação, portanto, ele já contém o componente necessário para uma verificação rápida de integridade.

Sinais específicos de componentes moleculares indicam carga, mudanças químicas

Usando este detector, Sorte e seus colegas podem ver sinais únicos para íons de lítio conforme eles interagem com o material em cada eletrodo. Isso permite que eles rastreiem a quantidade de carga que uma bateria mantém ao longo de ciclos repetidos de carga e descarga; capacidade em declínio é um sinal de que a bateria está acabando.

Os pesquisadores também podem ver sinais exclusivos de moléculas produzidas durante reações colaterais enquanto uma bateria opera. Eles podem monitorar esses produtos colaterais moleculares e, em seguida, ajustar os componentes químicos da bateria para reduzir as reações indesejáveis. Essas mudanças podem ajudá-los a melhorar as baterias para que tenham as propriedades necessárias para aplicações como armazenamento de energia renovável em grande escala. Os fabricantes também poderiam usar este dispositivo um dia para executar testes de diagnóstico em baterias, Disse Sorte.

A mesma abordagem e faixa de detector podem ser usadas para observar o funcionamento interno das baterias de fluxo de vanádio e outros produtos químicos também, ele adicionou. Sorte também está trabalhando no monitoramento da vida interna de uma bateria usando os eletrodos já existentes, para que nenhum componente adicional seja necessário.