p Em uma promissora bateria à base de lítio, a formação de uma matriz de prata altamente condutora transforma um material que, de outra forma, sofre com a baixa condutividade. Para otimizar essas baterias multi-metálicas - e aumentar o fluxo de eletricidade - os cientistas precisavam de uma maneira de ver onde, quando, e como essas prata, surgem "pontes" em nanoescala. p Agora, pesquisadores do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA e da Universidade Stony Brook usaram raios-x para mapear essa arquitetura atômica em mudança e revelaram sua ligação com a taxa de descarga da bateria. O estudo - publicado online em 8 de janeiro 2015, no jornal Ciência - mostra que uma taxa de descarga lenta no início da vida da bateria cria uma rede condutiva mais uniforme e expansiva, sugerindo novas abordagens de design e técnicas de otimização.

p "Armado com esta visão sobre os processos de descarga do cátodo da bateria, podemos direcionar novos materiais projetados para resolver problemas críticos de bateria associados a energia e eficiência, "disse a co-autora do estudo, Esther Takeuchi, SUNY Distinguished Professor na Stony Brook University e Chief Scientist no Brookhaven Lab's Basic Energy Sciences Directorate.

p Os cientistas usaram feixes de raios-X brilhantes na fonte de luz síncrotron nacional do Brookhaven Lab (NSLS) - uma instalação do DOE Office of Science - para sondar baterias de lítio com difosfato de vanádio de prata (Ag ₂ VP ₂ O ₈ ) eletrodos. Este material catódico promissor, que pode ser útil em dispositivos médicos implantáveis, exibe a alta estabilidade, alta voltagem, e formação de matriz espontânea central para a pesquisa.

p "O trabalho experimental - em particular a difração de raios-x in-situ em baterias totalmente revestidas de aço inoxidável - deve ser útil para a indústria, pois pode penetrar protótipo e baterias de nível de produção para rastrear sua evolução estrutural durante a operação, "Takeuchi disse.

p Na matriz

p À medida que essas baterias descartáveis ​​- sintetizadas e montadas pelo estudante de graduação de Stony Brook David Bock - descarregam, os íons de lítio armazenados no ânodo viajam para o cátodo, deslocando íons de prata ao longo do caminho. A prata deslocada então se combina com elétrons livres e material catódico não utilizado para formar a matriz de metal condutora de prata, atuando como um conduíte para o fluxo de elétrons de outra forma impedido.

p "Para visualizar os processos catódicos dentro da bateria e observar a rede de prata tomar forma, precisávamos de um sistema muito preciso com raios-x de alta intensidade capaz de penetrar no invólucro de uma bateria de aço, "disse a co-autora do estudo e Professora Associada de Pesquisa da Stony Brook University, Amy Marschilok." Então, recorremos ao NSLS. "

p A difração de energia dispersiva de raios-X (EDXRD) no NSLS forneceu esses dados de visualização em tempo real - in situ. Em EDXRD, feixes intensos de raios-x passaram pela amostra, perdendo energia conforme a estrutura da bateria entortava os feixes. Cada conjunto de ângulos de feixe detectados, como imagens de lapso de tempo, revelou a mudança química em função da descarga da bateria.

p "A prata se forma em partículas que medem menos de 10 nanômetros, e os padrões de difração podem ser densos e tênues, "disse o cientista Zhong Zhong do Brookhaven Lab, que realizou o alinhamento crítico para os experimentos de raios-X no NSLS.

p Uma vez que os dados foram coletados, O pesquisador de pós-doutorado do Brookhaven Lab e co-autor do estudo Kevin Kirshenbaum liderou o esforço de análise de dados.

p "Este tipo de análise e interpretação requer um tempo e experiência consideráveis, mas os resultados podem ser impressionantes, "Kirshenbaum disse.

p Surpresas escritas em prata

p Na maioria das baterias, a velocidade de difusão de íons de lítio determina a taxa de descarga, um fator chave no desempenho e eficiência geral. O material mais próximo do ânodo de lítio normalmente descarregaria primeiro, já que os íons têm uma distância menor para viajar. Em uma descoberta surpreendente, os pesquisadores descobriram que o material mais distante do ânodo e mais próximo da superfície da célula tipo moeda descarregou primeiro na bateria.

p "Isso ocorre porque o material do cátodo não descarregado é um condutor elétrico muito ruim, então a resistência para a difusão de íons de lítio é menor do que para o fluxo de elétrons, "disse o co-autor e professor ilustre SUNY Kenneth Takeuchi." Isso destaca um aspecto excepcionalmente eficiente da formação da matriz de prata in situ:A matriz de prata se forma principalmente onde necessário, que é mais eficiente do que usar aditivos condutores. "

p Os dados de difração in situ foram combinados com duas técnicas aplicadas após a operação:espectroscopia de absorção de raios-X (XAS) e difração de raios-X com resolução angular (XRD).

p A espectroscopia pode revelar química exata porque cada elemento absorve e emite luz de maneira única, mas os raios X usados ​​para XAS não podem penetrar no invólucro da bateria. Portanto, após cada etapa da alta, os pesquisadores removeram o cátodo e o transformaram em pó para medir a composição elementar média. Chia-Ying Lee, da Universidade de Buffalo, preparou os materiais de cátodo reduzido para as medições ex situ iniciais.

p "Essas técnicas fornecem dados complementares:a difração in situ mostra onde a prata se forma dentro do cátodo, enquanto a espectroscopia mostra com mais precisão quanta prata foi formada, "Esther Takeuchi disse.

p Luzes mais brilhantes e baterias melhores

p NSLS encerrou sua execução experimental de 32 anos em setembro de 2014, mas seu poderoso sucessor já está obtendo dados no Laboratório Brookhaven. A National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) fornece feixes 10, 000 vezes mais brilhante do que NSLS, e a pesquisa de energia in situ é uma parte importante de sua missão. NSLS-II, também um DOE Office of Science User Facility, em breve dará as boas-vindas aos usuários da indústria, academia, e outros laboratórios nacionais.

p "Atualmente estamos trabalhando em outros materiais que formam redes condutoras e esperamos estudá-los como células funcionais, "Takeuchi disse." Os feixes mais brilhantes e a maior resolução espacial do NSLS-II serão uma grande ferramenta no estudo de outros cátodos e no avanço dessa tecnologia. "