Os veículos elétricos recarregáveis ​​são uma das melhores ferramentas contra o aumento da poluição e das emissões de carbono, e sua ampla adoção depende do desempenho da bateria. Cientistas especializados em nanotecnologia continuam em busca da receita molecular perfeita para uma bateria que reduza o preço, aumenta a durabilidade, e oferece mais milhas a cada cobrança.

Uma família particular de baterias de íon-lítio compostas de níquel, cobalto, e o alumínio (NCA) oferece densidade de energia alta o suficiente - uma medida da eletricidade armazenada na bateria - para funcionar bem em veículos de grande escala e longo alcance, incluindo carros elétricos e aeronaves comerciais. Há, Contudo, um problema significativo:essas baterias se degradam a cada ciclo de carga e descarga.

Conforme o ciclo da bateria, Os íons de lítio vão e vêm entre o cátodo e o ânodo e deixam rastros detectáveis ​​de danos em nanoescala. Crucialmente, o alto calor dos ambientes dos veículos pode intensificar esses rastros de degradação reveladores e até mesmo causar a falha total da bateria.

"A relação entre as mudanças estruturais e a fuga térmica catastrófica impacta a segurança e o desempenho, "disse o físico Xiao-Qing Yang, do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA." O entendimento profundo dessa relação nos ajudará a desenvolver novos materiais e desenvolver este material NCA para evitar essa degradação perigosa. "

Para obter um retrato holístico das reações eletroquímicas da bateria NCA, pesquisadores do Departamento de Química do Laboratório de Brookhaven e do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) concluíram uma série de três estudos, cada um se aprofundando nas mudanças moleculares. O trabalho abrangeu a exploração baseada em raios-X de morfologias médias de materiais até surpreendentes assimetrias em escala atômica reveladas por microscopia eletrônica.

"Após cada ciclo de carga / descarga - ou mesmo etapas incrementais em qualquer direção - vimos a transição da estrutura atômica de camadas cristalinas uniformes para uma configuração desordenada de sal-gema, "disse o cientista do Brookhaven Lab, Eric Stach, que lidera o grupo de microscopia eletrônica do CFN. "Durante esta transformação, o oxigênio sai do composto desestabilizado da bateria. Esse excesso de oxigênio, lixiviado a taxas cada vez mais rápidas ao longo do tempo, na verdade, contribui para o risco de falha e atua como combustível para um possível incêndio. "

Esses insights novos e fundamentais podem ajudar os engenheiros a desenvolver químicas de bateria superiores ou arquiteturas em nanoescala que bloqueiam essa degradação.

Estudo 1:instantâneos de raios-X de decomposição induzida pelo calor

O primeiro estudo, publicado em Química de Materiais , explorou a bateria NCA usando difração de raios-x combinada e técnicas de espectroscopia, onde feixes de fótons de alta frequência bombardeiam e ricocheteiam em um material para revelar a estrutura e composição elementar. Esses estudos de raios-X foram conduzidos na Fonte Nacional de Luz Síncrotron (NSLS) de Brookhaven.

"Pudemos testar o ciclo da bateria in situ, o que significa que poderíamos observar os efeitos do aumento do calor em tempo real, "disse o químico e co-autor do estudo do Brookhaven Lab, Seong Min Bak." Tiramos a bateria de célula tipo moeda NCA totalmente carregada do equilíbrio térmico, aquecendo-a até 500 graus Celsius. "

Com o aumento da temperatura, os raios X atingiram a amostra e revelaram a ampla transição de uma estrutura de cristal para outra. A equipe também mediu a quantidade de oxigênio e dióxido de carbono liberada pela amostra do NCA - um indicador-chave de inflamabilidade potencial.

"A liberação de oxigênio atingiu um pico entre 300 e 400 graus Celsius durante nossos testes, que está acima da temperatura de operação para a maioria dos veículos, "Bak disse." Mas esse limite de temperatura caiu para uma bateria altamente carregada, suggesting that operating at full energy capacity accelerates structural degradation and vulnerability."

While they further confirmed the results with x-ray absorption spectroscopy and electron microscopy after the heating trials, the team needed to map the changes at higher resolutions.

Study 2:Charge-induced transformations

The next study, also published in Química de Materiais , used transmission electron microscopy (TEM) to pinpoint the effect of an initial charge on the battery's surface structure. The highly focused electron beams available at CFN revealed individual atom positions as an applied current pushed pristine batteries to an overcharged state.

"The surface changes matched the rock-salt evolution found in the x-ray study, " said study coauthor Sooyeon Hwang of the Korea Institute of Science and Technology (KIST). "Even with just one charge on the NCA battery we saw changes in the crystalline structure, and it grew much worse as the charge level increased."

To capture the atoms' electronic structures, the scientists used electron energy loss spectroscopy (EELS). Nesta técnica, measurements of the energy lost by a well-defined electron beam reveal local charge densities and elemental configurations.

"We found a decrease in nickel and an increase in the electron density of oxygen, " Hwang said. "This causes a charge imbalance that forces oxygen to break away and leave holes in the NCA surface, permanently damaging the battery's capacity and performance."

While this combined crystallographic and electronic data confirmed and clarified the earlier work, temperature effects still needed to be explored with atomic precision.

Study 3:Thermal decay and real-time electron microscopy

The final study, publicado em Materiais Aplicados e Interfaces , used in situ electron microscopy to track the heat-driven decomposition of NCA materials at different states of charge. The atomic-scale structural investigation under variable temperatures and charge levels offered the most comprehensive portrait yet.

The collaboration found that even though pristine and uncharged NCA samples remained stable up to 400 degrees Celsius, charging introduced the usual decomposition and vulnerabilities. The full story, Contudo, was much more nuanced.

"We saw the same overall degradation patterns, but the real-time TEM revealed an unexpected twist within individual particles, " Stach said. "When fully charged, some particles released oxygen and began to shift toward disorder down at temperatures below 100 degrees Celsius—definitely plausible for a lithium-ion battery's normal operation."

Added Hwang, "Those unstable, degraded particles may trigger the chain reaction of so-called thermal runaway at lower temperatures than expected, and that free oxygen would feed the fire springing from an overheated battery."

The future of batteries

The corroborating data in the three studies points to flaws in the chemistry and architecture of NCA batteries—including the surprising atomic asymmetries—and suggests new ways to enhance durability, including the use of nanoscale coatings that reinforce stable structures.

"We plan to push these investigative techniques even further to track the battery's structure in real-time as it charges and discharges under real operating conditions—we call this in operando, " Stach said. "Brookhaven's National Synchrotron Light Source II will be a game-changer for this kind of experimentation, and I'm eager to take advantage of that facility's ultra-bright x-rays to track internal and surface evolutions in these materials."