p Construir uma bateria melhor é um ato de equilíbrio delicado. O aumento da quantidade de produtos químicos cujas reações alimentam a bateria pode levar à instabilidade. De forma similar, partículas menores podem melhorar a reatividade, mas expõem mais material à degradação. Agora, uma equipe de cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE), Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e SLAC National Accelerator Laboratory dizem que encontraram uma maneira de encontrar um equilíbrio - fazendo um cátodo de bateria com uma estrutura hierárquica onde o material reativo é abundante, mas protegido. p Baterias de teste que incorporam esse material de cátodo exibiram comportamento de ciclo de alta tensão aprimorado - o tipo que você deseja para veículos elétricos de carregamento rápido e outras aplicações que requerem armazenamento de alta capacidade. Os cientistas descrevem os detalhes de micro a nanoescala do material catódico em um artigo publicado na revista. Nature Energy 11 de janeiro 2016

p "Nossos colegas do Berkeley Lab conseguiram fazer uma estrutura de partículas com dois níveis de complexidade, onde o material é montado de forma a se proteger da degradação, "explicou o físico do Brookhaven Lab e professor assistente adjunto da Stony Brook University Huolin Xin, que ajudou a caracterizar os detalhes em nanoescala do material catódico no Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN).

p A imagem de raios-X realizada por cientistas do Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) no SLAC, juntamente com a microscopia eletrônica de Xin no CFN, revelou partículas esféricas do material catódico medindo milionésimos de metro, ou mícrons, em diâmetro composto por lotes menores, partículas em nanoescala facetadas empilhadas como tijolos em uma parede. As técnicas de caracterização revelaram importantes detalhes estruturais e químicos que explicam por que essas partículas funcionam tão bem.

p O lançador de íons de lítio

p A química está no cerne de todas as baterias recarregáveis ​​de íon de lítio, que alimentam eletrônicos portáteis e carros elétricos transportando íons de lítio entre eletrodos positivos e negativos banhados em uma solução eletrolítica. À medida que o lítio se move para o cátodo, as reações químicas geram elétrons que podem ser encaminhados a um circuito externo para uso. A recarga requer uma corrente externa para executar as reações no sentido inverso, puxando os íons de lítio para fora do cátodo e enviando-os para o ânodo.

p Metais reativos como o níquel têm o potencial de fazer ótimos materiais catódicos - exceto que são instáveis ​​e tendem a sofrer reações colaterais destrutivas com o eletrólito. Então, o Brookhaven, Berkeley, e a equipe da bateria SLAC experimentou maneiras de incorporar níquel, mas protegê-lo dessas reações colaterais destrutivas.

p Eles pulverizaram uma solução de lítio, níquel, manganês, e cobalto misturado em uma certa proporção através de um bico atomizador para formar minúsculas gotículas, que então se decompôs para formar um pó. Aquecer e resfriar repetidamente o pó desencadeou a formação de minúsculas partículas nanométricas e a automontagem dessas partículas no esférico maior, às vezes oco, estruturas.

p Usando raios-x no SSRL do SLAC, os cientistas fizeram "impressões digitais" químicas das estruturas em escala de mícron. A técnica do síncrotron, chamada espectroscopia de raios-x, revelou que a superfície externa das esferas era relativamente baixa em níquel e alta em manganês não reativo, enquanto o interior era rico em níquel.

p "A camada de manganês forma uma barreira eficaz, como tinta em uma parede, protegendo a estrutura interna dos 'tijolos' ricos em níquel do eletrólito, "Xin disse.

p Mas como os íons de lítio ainda eram capazes de entrar no material para reagir com o níquel? Descobrir, O grupo de Xin no CFN moeu as partículas maiores para formar um pó composto de aglomerados muito menores de partículas primárias em nanoescala com algumas das interfaces entre elas ainda intactas.

p "Essas amostras mostram um pequeno subconjunto dos tijolos que formam a parede. Queríamos ver como os tijolos são montados. Que tipo de cimento ou argamassa os une? Eles são colocados em camadas regularmente ou são orientados aleatoriamente com espaços entre eles? " Disse Xin.

p Os detalhes da nanoescala explicam o desempenho aprimorado

p Usando um microscópio eletrônico de transmissão de varredura com correção de aberração - um microscópio eletrônico de transmissão de varredura equipado com um par de "óculos" para melhorar sua visão - os cientistas viram que as partículas tinham facetas, faces planas ou lados como as bordas cortadas de um cristal, o que lhes permitiu compactar firmemente para formar interfaces coerentes sem argamassa ou cimento entre os tijolos. Mas houve um ligeiro desajuste entre as duas superfícies, com os átomos de um lado da interface sendo ligeiramente deslocados em relação aos átomos da partícula adjacente.

p "O empacotamento de átomos nas interfaces entre as partículas minúsculas é ligeiramente menos denso do que a rede perfeita dentro de cada partícula individual, então, essas interfaces basicamente criam uma estrada para os íons de lítio entrarem e saírem, "Xin disse.

p Como minúsculos carros inteligentes, os íons de lítio podem se mover ao longo dessas rodovias para alcançar a estrutura interna da parede e reagir com o níquel, mas moléculas eletrolíticas muito maiores do tamanho de um caminhão não conseguem degradar o material reativo.

p Usando uma ferramenta de espectroscopia em seu microscópio, os cientistas do CFN produziram impressões digitais químicas em nanoescala que revelaram que havia alguma segregação de níquel e manganês mesmo em nanoescala, assim como havia nas estruturas em escala mícron.

p "Não sabemos ainda se isso é funcionalmente significativo, mas achamos que pode ser benéfico e queremos estudar isso mais a fundo, "Xin disse. Por exemplo, ele disse, talvez o material pudesse ser feito em nanoescala para ter um esqueleto de manganês para estabilizar o mais reativo, bolsos ricos em níquel menos estáveis.

p "Essa combinação pode dar a você uma vida útil mais longa para a bateria, juntamente com a maior capacidade de carga do níquel, " ele disse.