A mais nova geração de baterias de íons de lítio agora em desenvolvimento promete uma revolução na alimentação de telefones celulares, veículos elétricos, laptops e uma infinidade de outros dispositivos. Com todos os componentes de estado sólido e não inflamáveis, as novas baterias são mais leves, mantêm a carga por mais tempo, recarregam mais rápido e são mais seguras de usar do que as baterias convencionais de íons de lítio, que contêm um gel que pode pegar fogo.
No entanto, como todas as baterias, as baterias de íons de lítio de estado sólido têm uma desvantagem:devido às interações eletroquímicas, a impedância – o análogo CA da resistência elétrica CC – pode se acumular dentro das baterias, limitando o fluxo de corrente elétrica. Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e seus colegas já identificaram o local onde ocorre a maior parte desse acúmulo. Ao fazê-lo, a equipe sugeriu um redesenho simples que poderia limitar drasticamente o acúmulo de impedância, permitindo que as baterias cumpram seu papel como fonte de energia da próxima geração.

Uma bateria de íons de lítio consiste em dois terminais em forma de folha, o ânodo (terminal negativo) e o cátodo (terminal positivo), separados por um meio condutor de íons chamado eletrólito. (O eletrólito é um gel no caso de baterias de íons de lítio comuns, um sólido na versão de estado sólido.) Durante a descarga, os íons de lítio fluem do ânodo através do eletrólito para o cátodo, forçando os elétrons a se moverem em um circuito externo e gerar a corrente elétrica que alimenta os dispositivos.

A impedância normalmente surge na interface entre qualquer um dos dois eletrodos e o eletrólito. Mas encontrar a localização exata requer conhecimento tanto da distribuição de íons de lítio quanto da diferença de voltagem em cada interface.

Estudos anteriores de outras equipes não conseguiram localizar definitivamente a área do problema porque a ferramenta usada calculava a impedância média de toda a bateria, em vez de medi-la em locais individuais dentro do dispositivo. A equipe do NIST, que inclui colaboradores do Sandia National Laboratory em Livermore, Califórnia, do Naval Research Laboratory em Washington, D.C. e várias universidades, usou dois métodos complementares para estudar a impedância em nanoescala em uma bateria de íons de lítio em estado sólido.

Um método, microscopia de força de sonda Kelvin, usa a ponta afiada de um microscópio de força atômica pairando sobre as diferentes camadas de uma bateria aberta para visualizar a distribuição de voltagem em cada superfície. A sonda revelou que a maior queda de tensão dentro da bateria ocorreu na interface eletrólito/ânodo, indicando que esta era uma região de alta impedância. (Se toda a bateria tivesse baixa impedância, a queda de tensão interna variaria gradual e suavemente de um lugar para outro dentro da célula.)

O segundo método, perfil de profundidade de nêutrons, usa um feixe de nêutrons de baixa energia gerados no NIST Center for Neutron Research para sondar a distribuição e concentração de lítio em nanoescala. Como o perfil de profundidade de nêutrons não prejudica a bateria, os pesquisadores conseguiram empregar a técnica enquanto a bateria estava funcionando.

Quando os nêutrons de baixa energia do feixe foram absorvidos pelo lítio na bateria, eles produziram partículas carregadas energéticas, alfa (4He) e trítio (3H). O número dessas partículas carregadas geradas e a energia que elas retêm depois de passar pelas camadas da bateria indicam a concentração de íons de lítio em diferentes locais da bateria.

As medições revelaram que o principal local onde os íons de lítio se acumularam, diminuindo o fluxo de corrente elétrica, ocorreu na fronteira entre o eletrólito e o ânodo - o mesmo local em que a microscopia de força da sonda Kelvin detectou a maior queda de tensão.

Em conjunto, os resultados das técnicas de microscopia de força da sonda Kelvin e técnicas de perfil de profundidade de nêutrons demonstraram inequivocamente que a maior parte da impedância surge na interface eletrólito / ânodo, disse o membro da equipe Evgheni Strelcov do NIST e da Universidade de Maryland NanoCenter em College Park.

Strelcov e outros pesquisadores, incluindo Jamie Weaver, Joseph Dura, Andrei Kolmakov e Nikolai Zhitenev do NIST e seus colaboradores, relataram suas descobertas on-line em 19 de outubro na revista ACS Energy Letters .

“Este trabalho demonstra que o perfil de profundidade de nêutrons, combinado com microscopia de força de sonda Kelvin e modelagem teórica, continua a avançar nossa compreensão do funcionamento interno das baterias de íons de lítio”, disse Weaver.

Ao analisar suas descobertas, os cientistas concluíram que a impedância encontrada na interface poderia ser significativamente reduzida se camadas de outro material fossem adicionadas entre o ânodo e o eletrólito. A adição de camadas intermediárias que aderem adequadamente umas às outras impediria que o eletrólito e o ânodo interagissem diretamente um com o outro. Isso é um benefício porque quando um eletrólito e o ânodo estão em contato direto, eles às vezes formam uma fina camada de material que impede o transporte dos íons.

"Queremos projetar as interfaces para que tenham alta condutividade de íons e elétrons", disse Strelcov.