p Novas observações de pesquisadores do MIT revelaram o funcionamento interno de um tipo de eletrodo amplamente utilizado em baterias de íon-lítio. As novas descobertas explicam a alta potência inesperada e o longo ciclo de vida dessas baterias, dizem os pesquisadores. p Os resultados aparecem em um artigo na revista Nano Letras co-autoria do pós-doutorado do MIT Jun Jie Niu, cientista pesquisador Akihiro Kushima, professores Yet-Ming Chiang e Ju Li, e três outros.

p O material do eletrodo estudado, fosfato de ferro e lítio (LiFePO4), é considerado um material especialmente promissor para baterias recarregáveis ​​à base de lítio; já foi demonstrado em aplicações que variam de ferramentas elétricas a veículos elétricos e armazenamento em rede em grande escala. Os pesquisadores do MIT descobriram que dentro deste eletrodo, durante o carregamento, uma zona de solução sólida (SSZ) se forma na fronteira entre as áreas ricas e esgotadas com lítio - a região onde a atividade de carga está concentrada, conforme os íons de lítio são puxados para fora do eletrodo.

p Li diz que este SSZ "foi teoricamente previsto para existir, mas vemos diretamente pela primeira vez, "em vídeos de microscópio eletrônico de transmissão (TEM) feitos durante o carregamento.

p As observações ajudam a resolver um enigma de longa data sobre LiFePO4:Na forma de cristal em massa, fosfato de lítio e ferro e fosfato de ferro (FePO4, que é deixado para trás quando os íons de lítio migram para fora do material durante o carregamento) têm condutividades iônicas e elétricas muito pobres. No entanto, quando tratado - com dopagem e revestimento de carbono - e usado como nanopartículas em uma bateria, o material exibe uma taxa de carga impressionantemente alta. "Foi bastante surpreendente quando esta [taxa rápida de carga e descarga] foi demonstrada pela primeira vez, "Li diz.

p "Observamos diretamente uma solução sólida aleatória metaestável que pode resolver este problema fundamental que intrigou [os cientistas de materiais] por muitos anos, "diz Li, o Professor de Ciência e Engenharia Nuclear da Battelle Energy Alliance e professor de ciência e engenharia de materiais.

p O SSZ é um estado "metaestável", persistindo por pelo menos vários minutos em temperatura ambiente. Substituindo uma interface nítida entre LiFePO4 e FePO4 que demonstrou conter muitos defeitos de linha adicionais chamados de "deslocamentos, "o SSZ serve como um buffer, reduzindo o número de deslocamentos que, de outra forma, se moveriam com a frente de reação eletroquímica. "Não vemos deslocamentos, "Li diz. Isso pode ser importante porque a geração e o armazenamento de deslocamentos podem causar fadiga e limitar o ciclo de vida de um eletrodo.

p Ao contrário da imagem TEM convencional, a técnica usada neste trabalho, desenvolvido em 2010 por Kushima e Li, torna possível observar os componentes da bateria enquanto eles carregam e descarregam, que pode revelar processos dinâmicos. "Nos últimos quatro anos, houve uma grande explosão no uso de tais técnicas TEM in situ para estudar operações de bateria, "Li diz.

p Uma melhor compreensão desses processos dinâmicos pode melhorar o desempenho de um material de eletrodo, permitindo um melhor ajuste de suas propriedades, Li diz.

p Apesar de um entendimento incompleto até o momento, nanopartículas de fosfato de ferro e lítio já são utilizadas em escala industrial para baterias de íon-lítio, Li explica. "A ciência está ficando para trás em relação à aplicação, "ele diz." Já está em escala e bastante bem sucedido no mercado. É uma das histórias de sucesso da nanotecnologia. "

p "Comparado ao íon de lítio tradicional, [fosfato de lítio e ferro] é ecologicamente correto, e muito estável, "Niu diz." Mas é importante que este material seja bem compreendido. "

p Enquanto a descoberta do SSZ foi feita em LiFePO4, Li diz, "O mesmo princípio pode se aplicar a outros materiais de eletrodo. As pessoas estão procurando materiais de eletrodo de alta potência, e tais estados metaestáveis ​​podem existir em outros materiais de eletrodo que são inertes na forma em massa. ... O fenômeno descoberto pode ser muito geral, e não específico para este material. "

p Chongmin Wang, um cientista pesquisador do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico que não estava envolvido nesta pesquisa, chama este artigo de "ótimo trabalho".

p "Vários modelos baseados em trabalhos teóricos e experimentais foram propostos, "Diz Wang." No entanto, nenhum deles parece ser conclusivo. "

p Esta nova pesquisa, ele diz, "fornece evidências convincentes e diretas" do mecanismo em funcionamento:"O trabalho é um grande passo à frente para empurrar as ambigüidades para favorecer um modelo de solução sólido." 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.