p Desde sua descoberta, há 15 anos, fosfato de lítio e ferro (LiFePO ₄ ) tornou-se um dos materiais mais promissores para baterias recarregáveis ​​devido à sua estabilidade, durabilidade, segurança e capacidade de fornecer muita potência de uma vez. Tem sido o foco de grandes projetos de pesquisa em todo o mundo, e uma tecnologia de ponta usada em tudo, desde ferramentas elétricas até veículos elétricos. Mas, apesar desse interesse generalizado, as razões para as características incomuns de carga e descarga do fosfato de lítio e ferro permaneceram obscuras. p Agora, pesquisa do professor associado de engenharia química e matemática do MIT, Martin Z. Bazant, forneceu novos resultados surpreendentes, mostrando que o material se comporta de maneira bastante diferente do que se pensava, ajudando a explicar seu desempenho e possivelmente abrindo a porta para a descoberta de materiais de bateria ainda mais eficazes.

p Os novos insights sobre o comportamento do fosfato de ferro-lítio são detalhados em um artigo publicado esta semana no jornal ACS Nano , escrito por Bazant e pós-doutorado Daniel Cogswell. O artigo é uma extensão da pesquisa que relataram no final do ano passado na revista. Nano Letras .

p Quando foi descoberto pela primeira vez, fosfato de lítio e ferro foi considerado útil apenas para aplicações de baixa potência. Então, desenvolvimentos posteriores - por pesquisadores, incluindo Yet-Ming Chiang, do MIT, o professor de cerâmica da Kyocera - mostrou que sua capacidade de energia poderia ser melhorada drasticamente usando-o na forma de nanopartículas, uma abordagem que o tornou um dos melhores materiais conhecidos para aplicações de alta potência.

p Mas as razões pelas quais as nanopartículas de LiFePO ₄ funcionou tão bem permaneceu indescritível. Acreditava-se amplamente que, ao ser carregado ou descarregado, o material a granel se separou em fases diferentes com concentrações muito diferentes de lítio; esta separação de fases, foi pensado, limitou a capacidade de energia do material. Mas a nova pesquisa mostra que, sob muitas condições do mundo real, essa separação nunca acontece.

p A teoria de Bazant prevê que acima de uma corrente crítica, a reação é tão rápida que o material perde sua tendência para a separação de fases que ocorre em níveis de potência mais baixos. Logo abaixo da corrente crítica, o material passa por um novo estado de "solução quase sólida", onde “não tem tempo para completar a separação de fases, " ele diz. Essas características ajudam a explicar por que este material é tão bom para baterias recarregáveis, ele diz.

p Os resultados resultaram de uma combinação de análise teórica, modelagem de computador e experimentos de laboratório, Bazant explica - uma abordagem interdisciplinar que reflete suas próprias nomeações conjuntas nos departamentos de engenharia química e matemática do MIT.

p Análises anteriores deste material examinaram seu comportamento em um único ponto no tempo, ignorando a dinâmica de seu comportamento. Mas Bazant e Cogswell estudaram como o material muda durante o uso, durante o carregamento ou descarregamento de uma bateria - e suas propriedades variáveis ​​ao longo do tempo acabaram sendo cruciais para a compreensão de seu desempenho.

p “Isso nunca foi feito antes, ”Bazant diz. O que eles encontraram, ele adiciona, é um fenômeno totalmente novo, e um que pode ser importante para entender o desempenho de muitos materiais de bateria - o que significa que este trabalho pode ser significativo mesmo se o fosfato de ferro-lítio acabar sendo abandonado em favor de outros novos materiais.

p Os pesquisadores pensaram que o lítio gradualmente absorve as partículas de fora para dentro, produzindo um núcleo encolhendo de material pobre em lítio no centro. O que a equipe do MIT descobriu foi bem diferente:na corrente baixa, o lítio forma bandas paralelas retas de material enriquecido dentro de cada partícula, e as bandas viajam através das partículas à medida que são carregadas. Mas em níveis mais altos de corrente elétrica, não há separação alguma, em faixas ou em camadas; em vez de, cada partícula absorve o lítio de uma vez, transformando-se quase instantaneamente de pobre em lítio para rico em lítio.

p A nova descoberta ajuda a explicar a durabilidade do fosfato de ferro-lítio também. Quando há listras de diferentes fases presentes, os limites entre essas faixas são uma fonte de tensão que pode causar rachaduras e uma degradação gradual no desempenho. Mas quando todo o material muda de uma vez, não existem tais limites e, portanto, menos degradação.

p Essa é uma descoberta incomum, Bazant diz:“Normalmente, se você está fazendo algo mais rápido, você causa mais danos, mas neste caso é o oposto. ” De forma similar, ele e Cogswell prevêem que operar a uma temperatura ligeiramente mais alta faria com que o material durasse mais, que vai contra o comportamento material típico.

p Além de ver como o material muda ao longo do tempo, entender como funciona envolve olhar para o material em escalas que outros não examinaram:embora muitas análises tenham sido feitas no nível de átomos e moléculas, descobriu-se que os principais fenômenos só podiam ser vistos na escala das próprias nanopartículas, Bazant diz - muitos milhares de vezes maior. “É um efeito dependente do tamanho, " ele diz.

p Gerbrand Ceder, professor de ciência de materiais do MIT, observou e escreveu sobre o comportamento do fosfato de ferro-lítio em altos níveis atuais no ano passado; agora, A análise teórica de Bazant pode levar a uma compreensão mais ampla não só deste material, mas também de outros que podem sofrer mudanças semelhantes.

p Troy Farrell, um professor associado de matemática na Queensland University of Technology na Austrália, que não estava envolvido neste trabalho, afirma que essas descobertas são de grande importância para aqueles que fazem pesquisas sobre baterias de lítio. Ele acrescenta que esse novo entendimento “permite que os cientistas de materiais desenvolvam novas estruturas e compostos que, em última análise, levam a baterias que têm vida útil mais longa e densidade de energia mais alta. Isso é o que é necessário se a tecnologia de bateria for usada em aplicações de alta potência, como veículos elétricos. ”

p Entender por que o fosfato de lítio e ferro funciona tão bem foi “um dos quebra-cabeças científicos mais interessantes que encontrei, ”Bazant diz. “Demorou cinco anos para descobrir isso.” p Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.