Um novo estudo ajudará os pesquisadores a criar, baterias recarregáveis ​​de lítio de maior capacidade, que são comumente usados ​​em eletrônicos de consumo. Em um estudo publicado na revista ACS Nano , pesquisadores mostraram como um revestimento que torna os eletrodos de silício de alta capacidade mais duráveis ​​pode levar à substituição dos eletrodos de grafite de baixa capacidade.

"Entender como o revestimento funciona nos dá uma indicação da direção que precisamos seguir para superar os problemas com eletrodos de silício, "disse o cientista de materiais Chongmin Wang, do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico, do Departamento de Energia.

Graças ao seu alto potencial de capacidade elétrica, o silício é uma das coisas mais importantes no desenvolvimento de baterias de íon de lítio atualmente. Substituir o eletrodo de grafite em baterias recarregáveis ​​de lítio por silício pode aumentar a capacidade dez vezes, fazendo com que durem muitas horas a mais antes de ficarem sem suco. O problema? Eletrodos de silício não são muito duráveis ​​- após algumas dezenas de recargas, eles não podem mais reter eletricidade.

Em parte, isso se deve à maneira como o silício absorve o lítio - como uma esponja. Ao carregar, o lítio se infiltra no eletrodo de silício. O lítio faz com que o eletrodo de silício inche até três vezes seu tamanho original. Possivelmente como resultado do inchaço ou por outras razões desconhecidas, o silício se quebra e quebra.

Os pesquisadores têm usado eletrodos feitos de pequenas esferas de silício com cerca de 150 nanômetros de largura - cerca de mil vezes menores que um fio de cabelo humano - para superar algumas das limitações do silício como eletrodo. O tamanho pequeno permite que o silício seja carregado de forma rápida e completa - uma melhoria em relação aos eletrodos de silício anteriores - mas apenas alivia parcialmente o problema de fraturamento.

Ano passado, a cientista de materiais Chunmei Ban e seus colegas do Laboratório Nacional de Energia Renovável em Golden, Colorado, e a Universidade do Colorado, Boulder descobriu que eles poderiam cobrir as nanopartículas de silício com um revestimento semelhante a borracha feito de glicerol de alumínio. As partículas de silício revestidas duraram pelo menos cinco vezes mais - as partículas não revestidas morreram em 30 ciclos, mas os revestidos ainda carregavam após 150 ciclos.

Os pesquisadores não sabiam como esse revestimento melhorava o desempenho das nanopartículas de silício. As nanopartículas desenvolvem naturalmente uma casca dura de óxido de silício em sua superfície, muito parecido com o aço inoxidável, forma uma camada protetora de óxido de cromo em sua superfície. Ninguém entendeu se a camada de óxido interferiu no desempenho do eletrodo, e se, como o revestimento emborrachado o melhorou.

Para entender melhor como o revestimento funcionava, Wang e colegas do PNNL, incluindo Ban, tornou-se especialista e um instrumento único na EMSL, Laboratório de Ciências Moleculares Ambientais do DOE, um DOE Office of Science User Facility no PNNL.

Grupo de Ban - que desenvolveu o revestimento para eletrodos de silício, chamado alucone, e é atualmente o único grupo que pode criar partículas de silício revestidas com alucona - obteve imagens de alta ampliação das partículas em um microscópio eletrônico. Mas a equipe de Wang tem um microscópio que pode ver as partículas em ação, enquanto eles estão sendo carregados e descarregados. Então, Yang He, da Universidade de Pittsburgh, explorou as nanopartículas de silício revestidas em ação na EMSL.

A equipe descobriu que, sem o revestimento de alucona, a camada de óxido evita que o silício se expanda e limita a quantidade de lítio que a partícula pode absorver quando a bateria é carregada. Ao mesmo tempo, eles descobriram que o revestimento de alucona amolece as partículas, tornando mais fácil para eles expandir e encolher com lítio.

E as imagens microscópicas revelaram algo mais - o alucone borrachento substitui o óxido rígido. Isso permite que o silício se expanda e contraia durante a carga e descarga, prevenção de fratura.

"Ficamos surpresos que o óxido foi removido, "disse Wang." Normalmente é difícil remover um óxido. Você tem que usar ácido para fazer isso. Mas este método de deposição molecular que reveste as partículas mudou completamente a camada protetora. "

Além disso, as partículas com as camadas de óxido tendem a se fundir durante o carregamento, aumentando seu tamanho e evitando que o lítio penetre no silício. O revestimento de borracha manteve as partículas separadas, permitindo que funcionem de forma otimizada.

No futuro, os pesquisadores gostariam de desenvolver um método mais fácil de revestir as nanopartículas de silício.