p As baterias de íons de lítio liberam eletricidade à medida que as reações eletroquímicas se espalham pelos materiais ativos. Manipular esse processo complexo e direcionar as reações para o coração rico em energia de cada parte desses materiais ativos é crucial para otimizar a produção de energia e a capacidade de energia final dessas baterias. p Agora, cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e institutos colaboradores mapearam essas vias de reação em escala atômica e as vincularam à taxa de descarga da bateria.

p Ao contrário das expectativas, uma baixa taxa de descarga permite que "dedos" eletroquímicos penetrem no material do eletrodo e liberem sua energia armazenada por meio de um processo chamado litiação. Durante descargas de alta taxa, Contudo, esses dedos de litiação penetram lentamente camada por camada de uma maneira muito mais ineficiente.

p "Este sistema modelo revela a interação crucial entre a taxa de descarga e o padrão de litiação, "disse Dong Su, que liderou a pesquisa no Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN). "Os padrões sutis que vemos podem nos ajudar a desenvolver arquiteturas de bateria superiores que aceleram a penetração da litiação e melhoram o desempenho geral."

p O trabalho foi realizado no Brookhaven Lab's CFN e National Synchrotron Light Source, e a fonte de luz de radiação síncrotron de Stanford do SLAC National Accelerator Laboratory - todas as instalações do usuário do DOE Office of Science. O estudo, publicado em 29 de janeiro, 2015, no jornal Nano Letras , inclui colaboradores da Cornell University, Escola de Minas do Colorado, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Stony Brook University, e o Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

p "O uso inicial desses materiais de eletrodo de óxido de níquel para armazenar e descarregar energia realmente ajuda a determinar o desempenho futuro do material, "disse Kai He, o primeiro autor e um pós-doutorando atuante no CFN. "O processo de descarga começa perto da superfície, e então se move para o interior por meio de 'dedos' para desbloquear a capacidade total do material. O legal é que pudemos ver essa transição acontecendo pela primeira vez. "

p Dedos "rastejantes"

p O estudo mostrou que várias vias de reação diferentes podem ocorrer nesses materiais. Embora as reações de superfície se movam rapidamente, eles não penetram profundamente no material, portanto, essa via de reação pode contribuir apenas com uma pequena quantidade para a capacidade geral de energia e produção da bateria.

p "Hora extra, a reação próxima à superfície se propaga uniformemente da superfície externa de cada nanopartícula para dentro de todas as direções - isso é o que chamamos de modo de núcleo encolhendo - mas pode ser excepcionalmente lento, "Ele disse." Essa capacidade interna permanece praticamente intocada até que os dedos de litiação se formem.

p Esses dedos de nucleação então se espalham como raízes de árvores rastejando por um solo cheio de energia, desbloquear a eletricidade à medida que avançam.

p "Esperávamos que esse processo ocorresse muito mais rápido durante as descargas de alta taxa, mas descobrimos que o oposto é verdadeiro, "Su disse." Altas taxas se espalham pela superfície do material, mas, em seguida, torna-se abruptamente paralisado. Em taxas lentas de descarga, Contudo, os dedos penetrantes rapidamente se formaram e abriram o caminho para uso de alta capacidade. "

p Os dedos de litiação - a chave para desbloquear a capacidade total - requerem um tempo de incubação fixo para se formar e crescer, que define um limite de escala de tempo para eficiência, armazenamento de energia de alta velocidade em baterias de íon de lítio.

p Disse o co-autor do estudo Feng Lin, um cientista de materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, "Optamos por realizar nosso estudo usando materiais em nanoescala de óxido de níquel projetados exclusivamente. Esses materiais são um tanto bidimensionais, e fornecer orientações claras de cristal para observação experimental e modelagem teórica. Esperamos que fenômenos semelhantes sejam aplicáveis ​​a outros materiais de eletrodo relacionados. "

p Sondas de raios-x e elétrons

p A colaboração combinou dados de microscopia eletrônica, espectroscopia de raios-x, e modelagem computacional.

p "Usamos feixes de elétrons focados em um tamanho de 1 Angstrom (10-10 metros) para mapear os caminhos físicos dessas reações, "disse Eric Stach, que co-autor deste artigo e lidera o grupo de microscopia eletrônica do CFN. "Usando microscopia eletrônica de transmissão, fizemos filmes em tempo real dos padrões de litiação. Isso nos permitiu visualizar diretamente como esse processo ocorre em nanoescala. Também caracterizamos as amostras de íon-lítio após a descarga para mapear ainda mais as mudanças estruturais e químicas com a tomografia eletrônica tridimensional. "

p Estes dados foram corroborados por estudos de espectroscopia de raios-X conduzidos na fonte de luz síncrotron nacional de Brookhaven e na fonte de luz de radiação síncrotron de Stanford do SLAC Lab.

p Os estudos de raios-x rastrearam quantitativamente as mudanças químicas nas amostras, revelando as taxas de reações de litiação e a estrutura química em evolução. Modelos computacionais então ajudaram a interpretar esses dados e explicar a ligação eletroquímica entre a taxa de descarga e a propagação da reação.

p "A gama de talentos, perícia, e instrumentos de laboratórios de todo o país nos permitem obter um retrato completo de toda a reação em todas as escalas de comprimento relevantes, ligando a eletroquímica e o mecanismo de reação com nanoestruturas, " disse ele.

p Os pesquisadores planejam aplicar esta mesma metodologia a mais sistemas e expandir seu uso como um guia para novos, engenharia de bateria de alto desempenho.