p Usando um novo método para rastrear as reações eletroquímicas em um material de bateria de veículo elétrico comum sob condições operacionais, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven, do Departamento de Energia dos EUA, revelaram um novo insight sobre por que a carga rápida inibe o desempenho desse material. O estudo também fornece a primeira evidência experimental direta para apoiar um modelo particular de reação eletroquímica. Os resultados, publicado em 4 de agosto, 2014, no Nature Communications , poderia fornecer orientação para informar os esforços dos fabricantes de baterias para otimizar materiais para baterias de carregamento mais rápido com maior capacidade. p "Nosso trabalho foi focado no desenvolvimento de um método para rastrear mudanças estruturais e eletroquímicas em nanoescala enquanto o material da bateria carregava, "disse o físico de Brookhaven Jun Wang, quem liderou a pesquisa. Seu grupo estava particularmente interessado em mapear quimicamente o que acontece no fosfato de ferro-lítio, um material comumente usado no cátodo, ou eletrodo positivo, de baterias de veículos elétricos - à medida que a bateria é carregada. "Queríamos capturar e monitorar a transformação de fase que ocorre no cátodo à medida que os íons de lítio se movem do cátodo para o ânodo, " ela disse.

p Fazer com que o máximo possível de íons de lítio se mova do cátodo para o ânodo por meio deste processo, conhecido como delitiação, é a chave para recarregar a bateria em sua capacidade total para que ela seja capaz de fornecer energia pelo maior período de tempo possível. Compreender os detalhes sutis de por que isso nem sempre acontece pode levar a maneiras de melhorar o desempenho da bateria, permitindo que veículos elétricos viajem mais longe antes de precisarem ser recarregados.

p Imagem de raios-X e impressão digital química

p Muitos métodos anteriores usados ​​para analisar esses materiais de bateria produziram dados que calculam a média dos efeitos sobre todo o eletrodo. Esses métodos não têm a resolução espacial necessária para mapeamento químico ou imagem em nanoescala, e são susceptíveis de ignorar possíveis efeitos de pequena escala e diferenças locais dentro da amostra, Wang explicou.

p Para melhorar esses métodos, a equipe de Brookhaven usou uma combinação de full-field, microscopia de raio-x de transmissão de resolução em nanoescala (TXM) e espectroscopia de absorção de raio-x próxima à borda (XANES) na National Synchrotron Light Source (NSLS), um DOE Office of Science User Facility que fornece feixes de raios-x de alta intensidade para estudos em muitas áreas da ciência. Esses raios-x podem penetrar no material para produzir imagens de alta resolução e dados espectroscópicos - uma espécie de "impressão digital" eletroquímica que revela, pixel por pixel, onde os íons de lítio permanecem no material, onde foram removidos deixando apenas fosfato de ferro, e outros detalhes eletroquímicos potencialmente interessantes.

p Os cientistas usaram esses métodos para analisar amostras compostas de partículas em nanoescala múltiplas em um eletrodo de bateria real sob condições operacionais (em operando). Mas porque pode haver muita sobreposição de partículas nessas amostras, eles também conduziram o mesmo em um estudo operando usando menores quantidades de material de eletrodo do que seria encontrado em uma bateria típica. Isso permitiu que eles obtivessem mais informações sobre como a reação de delitiação ocorre dentro das partículas individuais sem sobreposição. Eles estudaram cada sistema (multipartículas e partículas individuais) em dois cenários de carregamento diferentes - rápido (como você chegaria a uma estação de recarga de veículo elétrico), e lento (usado ao conectar seu veículo em casa durante a noite).

p Saiba por que a taxa de cobrança é importante

p Essas imagens animadas de partículas individuais, tomadas enquanto o eletrodo está carregando, mostram que as fases de fosfato de ferro litiado (vermelho) e delitiado (verde) coexistem dentro de partículas individuais. Essa descoberta apóia diretamente um modelo no qual a transformação de fase prossegue de uma fase para a outra sem a existência de uma fase intermediária.

p As imagens detalhadas e informações espectroscópicas revelam uma visão sem precedentes sobre por que o carregamento rápido reduz a capacidade da bateria. Com a taxa de carregamento rápida, as imagens pixel a pixel mostram que a transformação de fosfato de ferro litiado para delitiado prossegue de forma não homogênea. Isso é, em algumas regiões do eletrodo, todos os íons de lítio são removidos, deixando apenas fosfato de ferro para trás, enquanto as partículas em outras áreas não mostram nenhuma mudança, retendo seus íons de lítio. Mesmo no estado "totalmente carregado", algumas partículas retêm lítio e a capacidade do eletrodo está bem abaixo do nível máximo.

p "Esta é a primeira vez que alguém foi capaz de ver que a delitiação estava acontecendo de forma diferente em diferentes locais espaciais em um eletrodo sob condições de carga rápida, "Jun Wang disse.

p Carregamento mais lento, em contraste, resulta em delitiação homogênea, onde as partículas de fosfato de ferro e lítio em todo o eletrodo mudam gradualmente para fosfato de ferro puro - e o eletrodo tem uma capacidade maior.

p Implicações para um melhor design de bateria

p Os cientistas sabem há algum tempo que o carregamento lento é melhor para este material, "mas as pessoas não querem cobrar devagar, "disse Jiajun Wang, o autor principal do artigo. "Em vez de, queremos saber por que o carregamento rápido proporciona menor capacidade. Nossos resultados oferecem pistas para explicar por que, e poderia fornecer orientação da indústria para ajudá-los a desenvolver uma bateria de carga rápida / alta capacidade no futuro, " ele disse.

p Por exemplo, a transformação de fase pode acontecer de forma mais eficiente em algumas partes do eletrodo do que outras devido a inconsistências na estrutura física ou composição do eletrodo, por exemplo, sua espessura ou quão poroso ele é. "Portanto, em vez de focar apenas nos recursos individuais dos materiais da bateria, os fabricantes podem querer encontrar maneiras de preparar o eletrodo para que todas as partes sejam iguais, então todas as partículas podem estar envolvidas na reação, em vez de apenas algumas, " ele disse.

p O estudo de partículas individuais também detectou, pela primeira vez, a coexistência de duas fases distintas - fosfato de ferro litiado e delitiado, ou puro, fosfato de ferro dentro de partículas individuais. Essa descoberta confirma um modelo da transformação de fase de delitiação - a saber, que ela prossegue de uma fase para a outra sem a existência de uma fase intermediária.

p "Essas descobertas fornecem a base fundamental para o desenvolvimento de materiais de bateria aprimorados, "disse Jun Wang." Além disso, este trabalho demonstra a capacidade única de aplicar imagens em nanoescala e técnicas espectroscópicas na compreensão de materiais de bateria com um mecanismo complexo em condições operacionais reais de bateria. "

p O artigo observa que esta abordagem in operando poderia ser aplicada em outros campos, como estudos de células de combustível e catalisadores, e em ciências ambientais e biológicas.

p Estudos futuros utilizando essas técnicas no NSLS-II, que produzirão raios-X 10, 000 vezes mais brilhante do que aqueles em NSLS - terá resolução ainda maior e fornecerá uma visão mais profunda das características físicas e eletroquímicas desses materiais, tornando possível aos cientistas elucidar ainda mais como essas propriedades afetam o desempenho.