Tecnologias limpas e eficientes de armazenamento de energia são essenciais para estabelecer uma infraestrutura de energia renovável. As baterias de íons de lítio já são dominantes em dispositivos eletrônicos pessoais e são candidatas promissoras para armazenamento confiável em nível de rede e veículos elétricos. No entanto, é necessário mais desenvolvimento para melhorar suas taxas de carregamento e vida útil.
Para ajudar no desenvolvimento de baterias de carregamento mais rápido e de longa duração, os cientistas precisam entender os processos que ocorrem dentro de uma bateria em operação, para identificar as limitações do desempenho da bateria. Atualmente, visualizar os materiais ativos da bateria enquanto eles funcionam requer técnicas sofisticadas de raios-X síncrotron ou microscopia eletrônica, que podem ser difíceis e caras, e muitas vezes não conseguem imagens com rapidez suficiente para capturar as mudanças rápidas que ocorrem em materiais de eletrodos de carregamento rápido. Como resultado, a dinâmica de íons na escala de comprimento de partículas ativas individuais e em taxas de carregamento rápido comercialmente relevantes permanece em grande parte inexplorada.

Pesquisadores da Universidade de Cambridge superaram esse problema desenvolvendo uma técnica de microscopia óptica baseada em laboratório de baixo custo para estudar baterias de íons de lítio. Eles examinaram partículas individuais de Nb₁₄ W₃ O₄₄ , que está entre os materiais de anodo de carregamento mais rápido até o momento. A luz visível é enviada para a bateria através de uma pequena janela de vidro, permitindo que os pesquisadores observem o processo dinâmico dentro das partículas ativas, em tempo real, sob condições realistas de não equilíbrio. Isso revelou gradientes de concentração de lítio semelhantes a frentes movendo-se através das partículas ativas individuais, resultando em tensão interna que causou a fratura de algumas partículas.

A fratura de partículas é um problema para as baterias, pois pode levar à desconexão elétrica dos fragmentos, reduzindo a capacidade de armazenamento da bateria. "Tais eventos espontâneos têm implicações graves para a bateria, mas nunca poderiam ser observados em tempo real antes", diz o co-autor Dr. Christoph Schnedermann, do Laboratório Cavendish de Cambridge.

As capacidades de alto rendimento da técnica de microscopia óptica permitiram aos pesquisadores analisar uma grande população de partículas, revelando que o craqueamento de partículas é mais comum com taxas mais altas de delitiação e em partículas mais longas. "Essas descobertas fornecem princípios de projeto diretamente aplicáveis ​​para reduzir a fratura de partículas e o desvanecimento da capacidade nesta classe de materiais", diz a primeira autora Alice Merryweather, Ph.D. candidato no Laboratório Cavendish e Departamento de Química de Cambridge.

No futuro, as principais vantagens da metodologia - incluindo a rápida aquisição de dados, resolução de partícula única e recursos de alto rendimento - permitirão uma exploração mais aprofundada do que acontece quando as baterias falham e como evitá-lo. A técnica pode ser aplicada para estudar quase qualquer tipo de material de bateria, tornando-se uma peça importante do quebra-cabeça no desenvolvimento de baterias de próxima geração.

A pesquisa foi publicada em Nature Materials . + Explorar mais

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