p Cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA fizeram as primeiras observações 3D de como a estrutura de um ânodo de bateria de íon-lítio evolui em nanoescala em uma célula de bateria real à medida que descarrega e recarrega. Os detalhes desta pesquisa, descrito em um artigo publicado em Angewandte Chemie , pode apontar para novas maneiras de projetar materiais de bateria para aumentar a capacidade e a vida útil das baterias recarregáveis. p "Este trabalho oferece uma maneira direta de olhar dentro da reação eletroquímica de baterias em nanoescala para entender melhor o mecanismo de degradação estrutural que ocorre durante os ciclos de carga / descarga de uma bateria, "disse o físico de Brookhaven Jun Wang, quem liderou a pesquisa. "Essas descobertas podem ser usadas para orientar a engenharia e o processamento de materiais de eletrodo avançados e melhorar as simulações teóricas com parâmetros 3D precisos."

p As reações químicas nas quais os íons de lítio se movem de um eletrodo carregado negativamente para um positivo são o que transporta a corrente elétrica de uma bateria de íon de lítio para alimentar dispositivos como laptops e telefones celulares. Quando uma corrente externa é aplicada, digamos, conectando o dispositivo a uma tomada, a reação ocorre ao contrário para recarregar a bateria.

p Os cientistas sabem há muito tempo que cargas / descargas repetidas (litiação e delitiação) introduzem mudanças microestruturais no material do eletrodo, particularmente em alguns materiais de ânodo à base de silício e estanho de alta capacidade. Essas mudanças microestruturais reduzem a capacidade da bateria - a energia que a bateria pode armazenar - e seu ciclo de vida - quantas vezes a bateria pode ser recarregada durante sua vida útil. Entender em detalhes como e quando no processo ocorre o dano pode indicar maneiras de evitá-lo ou minimizá-lo.

p "Tem sido muito desafiador visualizar diretamente a evolução microestrutural e as mudanças na distribuição da composição química em 3D dentro dos eletrodos quando uma célula de bateria real está passando por carga e descarga, "disse Wang.

p Uma equipe liderada por Vanessa Wood da universidade ETH Zurich, trabalhando na Swiss Light Source, recentemente realizada tomografia 3D in situ com resolução de escala micrométrica durante os ciclos de carga e descarga da bateria.

p Alcançar a resolução em nanoescala tem sido o objetivo final.

p "Pela primeira vez, "disse Wang, "capturamos os detalhes microestruturais de um ânodo de bateria operacional em 3D com resolução em nanoescala, usando uma nova célula de microbateria in-situ que desenvolvemos para nano-tomografia de raios X síncrotron - uma ferramenta inestimável para atingir esse objetivo.

p Construindo uma micro bateria

p O desenvolvimento de uma célula de micro bateria funcional para imagens 3D de raios-X em nanoescala foi muito desafiador. Baterias de célula tipo moeda comuns não são pequenas o suficiente, além disso, eles bloqueiam o feixe de raios-x quando ele é girado.

p "A microcélula inteira deve ter menos de um milímetro de tamanho, mas com todos os componentes da bateria - o eletrodo que está sendo estudado, um eletrólito líquido, e o contraeletrodo suportado por materiais relativamente transparentes para permitir a transmissão dos raios-x, e devidamente selado para garantir que a célula pode funcionar normalmente e ser estável para ciclos repetidos, "Disse Wang. O jornal explica em detalhes como a equipe de Wang construiu uma célula de bateria totalmente funcional com todos os três componentes da bateria contidos em um capilar de quartzo medindo um milímetro de diâmetro.

p Ao colocar a célula no caminho de feixes de raios-X de alta intensidade gerados na linha de luz X8C da Fonte de Luz Síncrotron Nacional de Brookhaven (NSLS), os cientistas produziram mais de 1400 imagens bidimensionais de raios-x do material do ânodo com uma resolução de aproximadamente 30 nanômetros. Essas imagens 2D foram posteriormente reconstruídas em imagens 3D, muito parecido com uma tomografia computadorizada médica, mas com clareza em escala nanométrica. Como os raios X passam pelo material sem destruí-lo, os cientistas foram capazes de capturar e reconstruir como o material mudou ao longo do tempo conforme a célula era descarregada e recarregada, ciclo após ciclo.

p Usando este método, os cientistas revelaram que, "severas mudanças microestruturais ocorrem durante a primeira delitiação e subsequente segunda litiação, após o qual as partículas atingem o equilíbrio estrutural sem outras mudanças morfológicas significativas. "

p Especificamente, as partículas que compõem o ânodo à base de estanho desenvolveram curvaturas significativas durante os ciclos iniciais de carga / descarga, levando a alto estresse. "Propomos que esta alta tensão levou à fratura e pulverização do material do ânodo durante a primeira delitiação, "Wang disse. Características côncavas adicionais após a primeira delitiação induziu ainda mais a instabilidade estrutural na segunda litiação, mas nenhuma mudança significativa se desenvolveu depois desse ponto.

p "Após esses dois ciclos iniciais, o ânodo de estanho mostra uma capacidade de descarga estável e reversibilidade, "Disse Wang.

p "Nossos resultados sugerem que as mudanças microestruturais substanciais nos eletrodos durante o ciclo eletroquímico inicial - chamado de formação na indústria de armazenamento de energia - são um fator crítico que afeta como uma bateria retém muito de sua capacidade de corrente após ser formada, "disse ela." Normalmente, uma bateria perde uma parte substancial de sua capacidade durante o processo de formação inicial. Nosso estudo vai melhorar a compreensão de como isso acontece e nos ajudar a desenvolver melhores controles do processo de conformação com o objetivo de melhorar o desempenho dos dispositivos de armazenamento de energia. "

p Wang destacou que, embora o estudo atual tenha olhado especificamente para uma bateria com estanho como ânodo, a célula eletroquímica desenvolvida por sua equipe e a técnica de nanotomografia de raios-x podem ser aplicadas a estudos de outros materiais anódicos e catódicos. A metodologia geral para monitorar mudanças estruturais em três dimensões conforme os materiais operam também lança uma oportunidade para monitorar estados químicos e transformações de fase em catalisadores, outros tipos de materiais para armazenamento de energia, e moléculas biológicas.

p O microscópio de transmissão de raios-X usado para este estudo irá em breve passar para uma linha de luz de imagem de raios-X de campo total (FXI) no NSLS-II, uma instalação de síncrotron de classe mundial agora quase concluída no Laboratório de Brookhaven. Esta nova instalação irá produzir feixes de raios-X 10, 000 vezes mais brilhante do que aqueles em NSLS, permitindo estudos dinâmicos de vários materiais à medida que desempenham suas funções específicas.