p (PhysOrg.com) - Uma inovação em componentes para baterias de última geração poderia vir de materiais especiais que transformam sua estrutura para um melhor desempenho com o tempo. p Uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA, liderado pela nanocientista Tijana Rajh de Argonne e o especialista em bateria Christopher Johnson, descobriram que nanotubos compostos de dióxido de titânio podem mudar de fase quando uma bateria é ciclada, aumentando gradualmente a sua capacidade operacional. Testes de laboratório mostraram que novas baterias produzidas com esse material poderiam ser recarregadas até a metade de sua capacidade original em menos de 30 segundos.

p Ao trocar os ânodos de grafite convencionais por aqueles compostos de nanotubos de titânio, Rajh e seus colegas testemunharam um fenômeno surpreendente. À medida que a bateria passava por várias cargas e descargas, sua estrutura interna começou a se orientar de uma forma que melhorou drasticamente o desempenho da bateria.

p "Não esperávamos que isso acontecesse quando começamos a trabalhar com o material, mas o ânodo adotou espontaneamente a melhor estrutura, "Rajh disse." Há um tipo de plasticidade interna no sistema que permite que ele mude conforme a bateria é reiniciada. "

p De acordo com o nanocientista de Argonne Hui Xiong, que trabalhou com Rajh para desenvolver o novo material do ânodo, parecia improvável que o dióxido de titânio substituísse adequadamente o grafite. "Começamos com um material que nunca pensamos que teria um uso funcional, e se transformou em algo que nos deu o melhor resultado possível, " ela disse.

p Um dos outros pesquisadores do grupo de Rajh, Sanja Tepavcevic, adotou uma abordagem semelhante para fazer uma estrutura de autoaperfeiçoamento para uma nanobateria de íon de sódio.

p "Este é um comportamento material altamente incomum, "acrescentou Jeff Chamberlain, um químico Argonne que lidera a principal iniciativa de armazenamento de energia do laboratório. "Estamos vendo algumas transições de fase em nanoescala que são muito interessantes do ponto de vista científico, e é a compreensão mais profunda do comportamento desses materiais que irá desvendar os mistérios dos materiais que são usados ​​em sistemas de armazenamento de energia elétrica. "

p A razão pela qual o dióxido de titânio parecia uma solução implausível para o desenvolvimento da bateria está na natureza amorfa do material. Como os materiais amorfos não têm ordem interna, eles não possuem as propriedades eletrônicas especiais de materiais cristalinos altamente ordenados. Contudo, materiais amorfos não são conhecidos por sofrer tais transformações estruturais profundas durante o ciclo, de acordo com Rajh. A maioria dos materiais de bateria conhecidos sofre a transição oposta:eles começam altamente cristalinos e pulverizam para um estado amorfo após o ciclo.

p Ter ânodos compostos de dióxido de titânio em vez de grafite também melhora a confiabilidade e a segurança das baterias de íons de lítio. Em certos casos, o lítio pode sair da solução e se depositar nos ânodos de grafite, causando uma perigosa reação em cadeia conhecida como fuga térmica. "Cada tipo de teste que realizamos em ânodos de titânio mostrou que eles são excepcionalmente seguros, "Disse Chamberlain.

p A descoberta de Argonne veio da colaboração entre duas das principais instalações do usuário do laboratório:o Center for Nanoscale Materials e a Advanced Photon Source. Ao combinar técnicas de nanofabricação de última geração com raios X de alta intensidade para caracterizar os nanotubos, os pesquisadores de Argonne foram capazes de observar rapidamente esse comportamento incomum.