p (Phys.org) - As baterias não envelhecem bem. Os íons de lítio que alimentam eletrônicos portáteis causam danos estruturais persistentes a cada ciclo de carga e descarga, fazendo com que dispositivos de smartphones a tablets cheguem a zero cada vez mais rapidamente. Para parar ou desacelerar essa degradação constante, os cientistas devem rastrear e ajustar a química imperfeita das baterias de íon-lítio com precisão em nanoescala. p Em dois artigos recentes da Nature Communications, cientistas de vários laboratórios nacionais do Departamento de Energia dos EUA - Lawrence Berkeley, Brookhaven, SLAC, e o Laboratório Nacional de Energia Renovável - colaboraram para mapear essas dinâmicas de bilionésimos de metro cruciais e estabelecer as bases para baterias melhores.

p "Descobrimos padrões de evolução e degradação surpreendentes e nunca antes vistos em dois materiais principais de bateria, "disse Huolin Xin, um cientista de materiais no Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) do Laboratório Brookhaven e co-autor em ambos os estudos. "Ao contrário da observação em grande escala, as reações de íon-lítio realmente corroem os materiais de maneira não uniforme, aproveitando vulnerabilidades intrínsecas na estrutura atômica da mesma maneira que a ferrugem se espalha de forma desigual pelo aço inoxidável. "

p Xin usou técnicas de microscopia eletrônica de ponta em ambos os estudos para visualizar diretamente as transformações químicas em nanoescala dos componentes da bateria durante cada etapa do processo de carga-descarga. Em uma configuração elegante e engenhosa, as colaborações exploraram separadamente um ânodo de óxido de níquel e um cátodo de lítio-níquel-manganês-cobalto-óxido - ambos notáveis ​​pela alta capacidade e ciclabilidade - colocando amostras dentro de baterias de célula tipo moeda comuns operando em tensões diferentes.

p “Munidos de um mapa preciso da erosão dos materiais, podemos planejar novas maneiras de quebrar os padrões e melhorar o desempenho, "Xin disse.

p Nestes experimentos, íons de lítio viajaram através de uma solução eletrolítica, movendo-se para um ânodo ao carregar e um cátodo ao descarregar. Os processos eram regulados por elétrons no circuito elétrico, mas as viagens dos íons - e as estruturas da bateria - mudavam sutilmente a cada vez.

p Chinks em Nano-Armor

p Para o ânodo de óxido de níquel, os pesquisadores submergiram as baterias em um eletrólito orgânico líquido e controlaram de perto as taxas de carregamento. Eles pararam em intervalos predeterminados para extrair e analisar o ânodo. Xin e seus colaboradores giraram folhas de 20 nanômetros de espessura do material pós-reação dentro de uma grade de microscópio eletrônico de transmissão (TEM) cuidadosamente calibrada no CFN para capturar os contornos de todos os ângulos - um processo chamado tomografia eletrônica.

p Para ver como os íons de lítio reagiram com o óxido de níquel, os cientistas usaram um pacote de software personalizado para reconstruir digitalmente as nanoestruturas tridimensionais com resolução de um nanômetro. Surpreendentemente, as reações surgiram em pontos espaciais isolados, em vez de se espalharem uniformemente pela superfície.

p "Considere a forma como os flocos de neve só se formam em torno de pequenas partículas ou pedaços de sujeira no ar, "Xin disse." Sem uma irregularidade para se agarrar, os cristais não podem tomar forma. Nosso ânodo de óxido de níquel só se transforma em níquel metálico por meio de inomogeneidades em nanoescala ou defeitos na estrutura da superfície, um pouco como fendas na armadura do ânodo. "

p A microscopia eletrônica forneceu uma peça crucial do quebra-cabeça maior montado em conjunto com os cientistas de materiais do Berkeley Lab e experimentos de espectroscopia de raios-X suaves conduzidos no Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) do SLAC. Os dados combinados cobriram as reações no nano-, meso, e microescalas.

p Acumulação de sal-gema

p No outro estudo, os cientistas procuraram o ponto ideal de voltagem para o cátodo de alto desempenho de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC):quanta energia pode ser armazenada, em que intensidade, e em quantos ciclos?

p As respostas dependiam das qualidades intrínsecas do material e da degradação estrutural causada por ciclos de 4,7 volts e 4,3 volts, medida em relação a um padrão de metal de lítio.

p Conforme revelado por outra série de testes de bateria de célula tipo moeda, 4,7 volts causou a decomposição rápida dos eletrólitos e ciclagem deficiente - a maior potência tem um preço. Uma bateria de 4,3 volts, Contudo, ofereceu uma vida útil muito mais longa ao custo de menor armazenamento e recargas mais frequentes.

p Em ambos os casos, a evolução química exibiu assimetrias superficiais extensas, embora não sem padrões profundos.

p "À medida que os íons de lítio percorrem as camadas de reação, eles causam cristalização agregada - uma espécie de matriz de sal-gema se acumula ao longo do tempo e começa a limitar o desempenho, "Xin disse." Descobrimos que essas estruturas tendem a se formar ao longo dos canais de reação de íon-lítio, que visualizamos diretamente no TEM. O efeito foi ainda mais pronunciado em tensões mais altas, explicando a deterioração mais rápida. "

p Identificar essas vias de reação carregadas de cristais sugere um caminho a seguir no projeto da bateria.

p "Pode ser possível usar a deposição atômica para revestir os cátodos NMC com elementos que resistem à cristalização, criando limites em nanoescala dentro dos pós micron-size necessários na vanguarda da indústria, "Xin disse." Na verdade, Os especialistas em bateria do Berkeley Lab, Marca Doeff e Feng Lin, estão trabalhando nisso agora. "

p Shirley Meng, um professor do Departamento de NanoEngenharia da UC San Diego, adicionado, "Este belo estudo combina várias ferramentas complementares que sondam tanto o volume quanto a superfície do óxido em camadas do NMC - um dos materiais catódicos mais promissores para operação de alta tensão que permite maior densidade de energia em baterias de íon de lítio. Os insights significativos fornecidos por este estudo terá um impacto significativo nas estratégias de otimização para este tipo de material catódico. "

p As medições TEM revelaram as estruturas atômicas, enquanto a espectroscopia de perda de energia de elétrons ajudou a localizar a evolução química - ambas realizadas no CFN. Outras pesquisas cruciais foram conduzidas no SSRL do SLAC e no Centro Nacional de Síntese de Materiais do Berkeley Lab, Eletroquímica, e microscopia eletrônica, com suporte computacional do National Energy Research Supercomputer Center e do Extreme Science and Engineering Discovery Environment.

p Em Tempo Real, Análises do mundo real

p "As reações químicas envolvidas nessas baterias são surpreendentemente complexas, e precisamos de métodos ainda mais avançados de interrogatório, "Xin disse." Meus colegas do CFN estão desenvolvendo maneiras de observar as reações em tempo real, em vez da abordagem parar e ir que usamos nesses estudos. "

p Estas em técnicas de microscopia operando, liderado em parte pelos cientistas de materiais do Laboratório Brookhaven Dong Su, Feng Wang, e Eric Stach, vão imagens de reações à medida que se desdobram em ambientes líquidos. Contatos eletroquímicos e suportes de fluxo de líquido projetados sob medida proporcionarão percepções sem precedentes.