De smartphones de última geração a carros elétricos de longo alcance e uma rede elétrica aprimorada, baterias melhores estão impulsionando a inovação tecnológica. E para levar as baterias além de seu desempenho atual, os pesquisadores querem ver "sob o capô" para aprender como os ingredientes individuais dos materiais da bateria se comportam sob a superfície.

Isso poderia levar a melhorias na bateria, como aumento de capacidade e tensão.

Mas muitas das técnicas que os cientistas usam podem apenas arranhar a superfície do que funciona dentro das baterias, e uma técnica de raios-X de alta sensibilidade no Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) está atraindo um grupo crescente de cientistas porque fornece uma visão mais profunda, mergulho mais preciso na química da bateria.

"As pessoas estão tentando levar a operação das baterias além do que tinham antes, "disse Wanli Yang, um cientista da equipe do Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS) que adaptou uma técnica de raios-X conhecida como RIXS (espalhamento inelástico de raios-X ressonante), para uso em experimentos ALS com foco em baterias e outros materiais de energia. O ALS produz feixes de luz que vão do infravermelho aos raios X para suportar uma variedade de experimentos simultâneos que são realizados por pesquisadores de todo o mundo que usam a instalação.

A técnica que Yang adaptou para a pesquisa de baterias, conhecido como mRIXS de alta eficiência (mapeamento de RIXS), atraiu particular interesse de pesquisadores que estudam projetos de eletrodos, quais são os componentes da bateria através dos quais a corrente passa para dentro e para fora da bateria. Anteriormente, O RIXS era conhecido principalmente como uma ferramenta para explorar a física fundamental dos materiais, e Yang, trabalhando com teóricos e outros, ajudou a aplicar a técnica a novos campos de pesquisa.

"Os cientistas estavam tentando ver dentro de um material de bateria - não apenas na superfície, mas também em massa - para aprender sobre seus átomos de oxigênio e estados de metal, "Yang disse." A maioria das técnicas convencionais não tem a profundidade da sonda ou a sensibilidade química que poderia ser oferecida pelo mRIXS. "

MRIXS pode ser usado para escanear amostras de eletrodos de bateria para medir os estados químicos de diferentes elementos em um ponto específico no ciclo de carga ou descarga da bateria. É eficaz na medição de materiais de bateria populares, tais como aqueles conhecidos como "óxidos de metais de transição mais baixos" que podem ser mais leves e mais econômicos do que algumas alternativas.

Pode dizer aos pesquisadores se, e quão completamente, os materiais da bateria estão ganhando e perdendo elétrons e íons - átomos carregados positiva ou negativamente - de forma estável, para que eles possam aprender com que rapidez e por que uma bateria está se degradando, por exemplo.

Durante a operação de uma bateria, o átomo de oxigênio em um eletrodo de bateria pode ser reduzido (ganhando elétrons) e oxidado (perdendo elétrons), que é conhecido como uma reação de "oxigenação redox". Essa mudança nos estados de oxigênio foi encontrada para dificultar o desempenho da bateria em estudos dos chamados eletrodos ricos em lítio, que potencialmente oferecem mais armazenamento de lítio e, portanto, maior capacidade.

"Mudanças nos estados de oxigênio podem tornar a bateria insegura e também desencadear outras reações colaterais" se o processo não for reversível, Yang disse. "A estrutura também pode entrar em colapso."

Mas a oxigenoterapia reversível que ocorre dentro do eletrodo é uma coisa boa. A técnica mRIXS pode detectar se os estados redox de oxigênio são reversíveis, e também pode detectar estados de metal no eletrodo.

Esta capacidade única também torna o mRIXS particularmente útil para estudos de alta tensão, materiais de bateria de alta capacidade que se tornaram um foco crescente para P&D de baterias.

A técnica funciona digitalizando lentamente com raios X uma amostra que preserva quimicamente um ponto no ciclo de carga ou descarga da bateria. Uma varredura de mapa agora leva cerca de três horas para ser concluída por amostra - uma varredura de mapa completo levaria dias antes que o sistema RIXS de alta eficiência fosse introduzido no ALS.

“A singularidade do sistema aqui não está apenas no momento da coleta de dados, mas sua capacidade de observar estados químicos não convencionais que normalmente não são muito estáveis ​​sob raios-X, ", disse ele. A melhoria na eficiência da detecção é importante na preservação da amostra antes do início de qualquer dano causado pelos raios X. Este também é um desafio técnico que pode ser resolvido por futuras fontes de luz com brilho de raios X muito melhorado , como o projeto ALS Upgrade (ALS-U), e os cientistas da ALS agora estão trabalhando para melhorar ainda mais a eficiência da detecção.

A técnica tem sido parte integrante de vários estudos de bateria publicados nos últimos meses:

• Um estudo, publicado em fevereiro, focado nos estados redox de oxigênio em um material de bateria de lítio comercialmente viável contendo lítio, níquel, cobalto, manganês, e oxigênio para um eletrodo conhecido como cátodo.
• Estados redox de oxigênio em materiais de bateria também foram o foco de outros estudos em fevereiro, incluindo um focado em um material de bateria de sódio contendo sódio, lítio, manganês, e oxigênio.
• Mais estudos de eletrodos de óxido rico em lítio utilizaram mRIXS para resolver sua química de oxigênio:Um estudo em janeiro focou na redução da queda da bateria relacionada à voltagem; e outro estudo em março demonstrou a operação de carregamento e descarregamento rápido de um material com química de oxigênio reversível.
• Um estudo em novembro de 2019 também utilizou mRIXS para observar os estados do enxofre, ao invés de oxigênio, em materiais de bateria de sulfeto rico em lítio.

Yang disse que o uso crescente da técnica pela comunidade de P&D de baterias é encorajador, e os pesquisadores da ALS estão trabalhando para desenvolver mais capacidade para esses experimentos.

"A demanda está aumentando extremamente rápido e o ALS está em processo de desenvolvimento de novos sistemas RIXS com rendimento ainda maior devido a esta capacidade demonstrada e demanda crescente, "Yang disse.

"Ter RIXS introduzido na pesquisa de materiais de energia é uma coisa nova, "Yang acrescentou." Se depois de 10 anos nós na ALS formos reconhecidos como as pessoas que impulsionaram uma técnica de física fundamental para estudar baterias e outros materiais de energia, é disso que devemos nos orgulhar. "Este é como um novo campo, e a comunidade precisava urgentemente dessa ferramenta. "