p (Phys.org) —Ubíquo, mas frustrante, As baterias de íon-lítio enfraquecem porque os materiais perdem sua estrutura em resposta ao carregamento e descarregamento. Esta mudança estrutural está intimamente relacionada à formação de regiões ricas em elétrons dentro do eletrodo, de acordo com cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), a Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China, Northwestern University, e o Rensselaer Polytechnic Institute. A equipe usou experimentos e simulações moleculares para mostrar que a região rica em elétrons faz com que as ligações de silício se quebrem. A quebra da ligação transforma o silício cristalino em uma liga amorfa de lítio e silício. p "Não estava absolutamente claro o que estava acontecendo, embora muitos artigos descrevam como a inserção de íons de lítio em materiais leva à amorfização, "disse o Dr. Fei Gao, um físico químico e um autor correspondente no estudo. "Propomos que as condições locais ricas em elétrons induzam a amorfização."

p Como todo proprietário de um telefone celular sabe, baterias de íon de lítio enfraquecem, armazenando menos energia cada vez que são carregados. Hora extra, uma bateria diminui a ponto de ter que ser substituída, a um custo ambiental e financeiro. Este estudo explica o que tem sido visto repetidas vezes em experimentos:operar baterias com silício, óxido de zinco, germânio, ou certos outros materiais isolantes levam a eletrodos amorfizados, mas o alumínio ou alguns outros metais permanecem uma liga cristalina. Os resultados deste estudo podem ajudar a projetar materiais mais duradouros, não apenas para telefones celulares, mas também para carros elétricos.

p "As crescentes demandas de energia de informação e transporte dependem do progresso das técnicas de armazenamento de energia, como as baterias de íon de lítio devido à sua densidade de energia relativamente alta e flexibilidade de design. O desenvolvimento oportuno de uma bateria melhor é a força motriz para a criação de novos materiais para armazenamento de energia, "disse o Dr. Chongmin Wang, especialista em imagem química no PNNL e investigador neste estudo.

p Quando uma bateria de íon de lítio é carregada, íons de lítio são inseridos no ânodo, um processo conhecido como litiação. Os íons do ânodo começam sendo organizados em uma rede bem definida, mas, em certos casos, evoluem para uma confusão amorfa. Neste estudo, os cientistas usaram ânodos de nanofios de silício dopados com fósforo. Os nanofios foram cultivados no Centro de Nanotecnologias Integradas do DOE, no Laboratório Nacional de Los Alamos e na Northwestern University, usando deposição de vapor químico.

p A equipe levou os nanofios para EMSL do DOE, localizado no PNNL, e os montou em uma pequena bateria dentro de um microscópio eletrônico de transmissão com correção de aberração e litiação observada, na resolução da rede. Eles ainda observaram o comportamento dessas regiões com imagens de microscopia eletrônica de transmissão de varredura e mapas de espectroscopia de perda de energia de elétrons. Para complementar as observações experimentais, eles estudaram eletrodos baseados em metal usando um método de dinâmica molecular de teoria funcional de densidade em grande escala e forma de cristais de serra. A equipe também examinou as reações que resultam em siliceto de lítio cristalino em condições ricas em elétrons.

p Eles descobriram que a amorforização sempre começa nas interfaces entre o silício e uma liga de lítio-silício, onde ocorre uma alta concentração localizada de elétrons. Para se ajustar aos elétrons extras e um alto nível de íons de lítio entrando na rede, as ligações entre os átomos de silício na rede cristalina se quebram. As ligações quebradas criam átomos de silício isolados e levam às fases desordenadas.

p "A experiência em baterias de íon de lítio e imagens químicas nos deu a vantagem, "disse o Dr. Louis Terminello, que lidera a Chemical Imaging Initiative no PNNL, o patrocinador principal deste estudo.

p Os cientistas estão conduzindo simulações computacionais para apoiar experimentos que visam compreender totalmente as baterias. Por exemplo, eles continuam a explorar o comportamento do grafeno, um material de grande interesse no armazenamento de energia. Também, eles estão fazendo um trabalho computacional com experimentalistas para elucidar o comportamento dos íons em materiais para a bateria recarregável de íons de lítio, especificamente o cátodo de óxido de lítio e níquel manganês.