p (Phys.org) —High-tech "smart windows, "que escurece para filtrar a luz solar em resposta à corrente elétrica, funcionam como baterias. Agora, Os estudos de raios-X no SLAC fornecem uma visão nítida de como o material que muda de cor nessas janelas se comporta em uma bateria em funcionamento - informações que podem beneficiar as baterias recarregáveis ​​de última geração. p Os pesquisadores instalaram folhas ultrafinas de material para janelas inteligentes, óxido de níquel, como o ânodo em uma bateria de íon de lítio, e usou o Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) da SLAC e equipamentos em outros laboratórios para estudar sua química em mutação e recursos 3-D.

p "Mudamos nossa atenção de mudar a cor desses materiais para usá-los para armazenar íons de lítio, Mas o princípio é o mesmo, "disse Feng Lin do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, autor principal do estudo, publicado em Nature Communications .

p As janelas inteligentes têm várias camadas de vidro que fazem um sanduíche de filmes ultrafinos ou revestimentos nanocristais de materiais, como óxido de níquel. Quando um pequeno campo elétrico é aplicado, a carga se move através do vidro para o material ultrafino, que serve como um eletrodo, e a janela muda de clara para escura.

p Estudos anteriores descobriram que a interação desses materiais finos especializados com o vidro circundante causa mudanças estruturais que facilitam o fluxo de carga elétrica através do vidro - uma propriedade que também é benéfica para as baterias.

p Neste estudo, que usa óxido de níquel como eletrodo de bateria, os pesquisadores puderam ver pela primeira vez exatamente o que acontece quando os íons de lítio da bateria entram em contato com a camada de óxido de níquel e como a reação resultante se espalha de vários pontos diferentes.

p "Começa como uma semente, "disse Tsu-Chien Weng, um cientista da equipe do SSRL que colaborou na pesquisa. "Então, existem várias frentes diferentes para a reação, e, eventualmente, uma estrutura metálica é formada. "

p Além disso, pesquisadores observaram como a superfície do material de óxido de níquel "respira" conforme a bateria carrega e descarrega.

p "Encontramos essa camada crescendo na superfície, construindo, "disse Dennis Nordlund, um cientista da equipe do SSRL que participou da pesquisa. "Em seguida, a camada vai embora. Ela desaparece quase completamente. É como uma camada de respiração. Não é necessariamente específico para o óxido de níquel, e tem amplas implicações para os materiais da bateria. "

p Este acúmulo cíclico de depósitos do eletrólito, geralmente referida como interface eletrodo-eletrólito, é parte integrante da maioria dos materiais da bateria, mas tem sido "um pouco misterioso, "Nordlund disse, pois geralmente é um desafio estudar durante a operação de uma bateria.

p Em uma bateria de íon de lítio típica, íons de lítio carregados migram através de uma solução química - o eletrólito - para o ânodo quando a bateria está carregando e para o eletrodo oposto, chamado de cátodo, quando a bateria está descarregando.

p Como a camada respiratória observada no material de óxido de níquel se acumula, mas depois desaparece, pode potencialmente limitar o crescimento de "dendritos, "Dedos de lítio semelhantes a árvores que se formam em outros tipos de materiais de bateria e prejudicam o desempenho da bateria.

p "Se você puder circular e se livrar da camada para que ela não se acumule com o tempo, isso seria um grande passo à frente, "Nordlund disse.

p Os pesquisadores usaram uma técnica conhecida como espectroscopia de absorção de raios-X em SSRL para sondar o material de óxido de níquel em profundidades de cerca de 5 e 50 nanômetros, ou bilionésimos de um metro, durante a operação da bateria.

p "Acontece que essas diferentes profundidades de sondagem são perfeitamente adequadas para estudar a estrutura eletrônica na superfície dos materiais da bateria, "Nordlund disse, acrescentando que esses recursos no SSRL abrem uma janela para explorar muitos materiais em estados ativos. "Nós realmente nos sentimos em uma posição única para lidar com muitos problemas diferentes na ciência da energia usando esta mesma metodologia."

p As ferramentas exploratórias de raios-X no SLAC e em outros laboratórios colaboradores têm sido fundamentais para a compreensão das propriedades do material de óxido de níquel em nanoescala, disse Ryan Richards, um professor de química da Escola de Minas do Colorado que estava envolvido no estudo.

p "Apresentamos uma série de propostas para examinar diferentes tipos de materiais - como eles se formam e quais propriedades suas superfícies têm, "Disse Richards. Ele disse que sua colaboração contínua com a equipe do SSRL está" realmente se transformando em um bom relacionamento. "

p Os resultados do SSRL foram combinados com outras descobertas de colaboradores, incluindo imagens 3D detalhadas e filmes produzidos no Laboratório Nacional de Brookhaven. Huolin Xin do Laboratório Brookhaven reuniu a equipe de pesquisa, que também incluiu cientistas do Laboratório Nacional de Energia Renovável e da Universidade Monash na Austrália.