Os pesquisadores de baterias que buscam materiais de eletrodo aprimorados têm se concentrado em estruturas "em túnel" que tornam mais fácil para os íons que carregam entrarem e saírem do eletrodo. Agora, uma equipe liderada por um pesquisador da Universidade de Illinois em Chicago usou um microscópio eletrônico especial com resolução de nível atômico para mostrar que certos íons grandes podem manter os túneis abertos para que os íons portadores de carga possam entrar e sair do eletrodo facilmente e rapidamente.

A descoberta é relatada em Nature Communications .

"Pesquisas significativas foram feitas para aumentar a densidade de energia e densidade de potência dos sistemas de bateria de íon de lítio, "diz Reza Shahbazian-Yassar, professor associado de engenharia mecânica e industrial da UIC.

A geração atual, ele disse, é útil o suficiente para dispositivos portáteis, mas a energia e potência máximas que podem ser extraídas são limitantes.

"Então, para um carro elétrico, precisamos aumentar a energia e a potência da bateria - e também diminuir o custo, " ele disse.

O time dele, que inclui colegas de trabalho do Laboratório Nacional de Argonne, Michigan Technological Institute e University of Bath no Reino Unido, tem se concentrado no desenvolvimento de um cátodo baseado em dióxido de manganês, um material de baixíssimo custo e ecologicamente correto, com alta capacidade de armazenamento.

O dióxido de manganês tem uma estrutura de rede com túneis regularmente espaçados que permitem que os portadores de carga - como os íons de lítio - entrem e saiam livremente.

"Mas para os túneis sobreviverem para uma função de longa duração, eles precisam de estruturas de suporte em escala atômica, "Shahbazian-Yassar disse." Nós os chamamos de estabilizadores de túnel, e geralmente são grandes, íons positivos, como potássio ou bário. "

Mas os estabilizadores do túnel, sendo carregado positivamente como os íons de lítio, devem repelir um ao outro.

"Se o lítio entrar, o estabilizador de túnel sairá? "Shahbazian-Yassar encolheu os ombros." A comunidade de pesquisa discordou sobre o papel dos estabilizadores de túnel durante a transferência de lítio para os túneis. Ajuda, ou machucar? "

O novo estudo representa o primeiro uso da microscopia eletrônica para visualizar a estrutura atômica de túneis em um material de eletrodo unidimensional - que os pesquisadores afirmam não ter sido possível devido à dificuldade de preparação de amostras. Levaram dois anos para estabelecer o procedimento para procurar túneis em nanofios dopados com potássio de dióxido de manganês até o nível de um átomo.

Yifei Yuan, um pesquisador de pós-doutorado trabalhando em conjunto no Argonne National Laboratory e UIC e o autor principal do estudo, foi então capaz de usar uma técnica poderosa chamada microscopia eletrônica de transmissão de varredura com correção de aberração para criar imagens dos túneis em resolução inferior a ångstrom para que pudesse ver claramente dentro deles - e ele viu que eles mudam na presença de um íon estabilizador.

"É uma forma direta de ver os túneis, "Yuan disse." E vimos que quando você adiciona um estabilizador de túnel, os túneis se expandem, suas estruturas eletrônicas também mudam, e tais mudanças permitem que os íons de lítio entrem e saiam, em torno do estabilizador. "

A descoberta mostra que os estabilizadores de túnel podem ajudar na transferência de íons para os túneis e na taxa de carga e descarga, Shahbazian-Yassar disse. A presença de íons de potássio nos túneis melhora a condutividade eletrônica do dióxido de manganês e a capacidade dos íons de lítio de se difundir rapidamente para dentro e para fora dos nanofios.

"Com íons de potássio no centro dos túneis, a retenção de capacidade melhora pela metade sob alta corrente de ciclo, o que significa que a bateria pode manter sua capacidade por mais tempo, " ele disse.