Renderização artística de partículas de bateria de íon-lítio sob a iluminação de um feixe de raios-X com foco preciso. Crédito:Stanford University, Grupo Chueh
Baterias melhores, que são carregadas rapidamente e duram muito tempo, são uma referência para os engenheiros. Mas apesar de décadas de pesquisa e inovação, uma compreensão fundamental de exatamente como as baterias funcionam na menor das escalas permaneceu indefinida.
Em artigo publicado esta semana na revista Ciência , uma equipe liderada por William Chueh, um professor assistente de ciência de materiais e engenharia em Stanford e um cientista do Departamento de Energia do SLAC National Accelerator Laboratory, desenvolveu uma maneira de examinar, como nunca antes, a reação eletroquímica que alimenta a célula recarregável mais comum em uso hoje:a bateria de íon de lítio.
Ao visualizar os blocos de construção fundamentais das baterias - pequenas partículas geralmente medindo menos de 1/100 do tamanho de um cabelo humano - os membros da equipe iluminaram um processo que é muito mais complexo do que se pensava. Tanto o método que desenvolveram para observar a bateria em tempo real quanto sua compreensão aprimorada da eletroquímica podem ter implicações de longo alcance para o projeto da bateria, gestão e além.
"Isso nos dá uma visão fundamental de como as baterias funcionam, "disse Jongwoo Lim, um co-autor principal do artigo e pesquisador de pós-doutorado no Stanford Institute for Materials &Energy Sciences no SLAC. "Anteriormente, a maioria dos estudos investigou o comportamento médio de toda a bateria. Agora, podemos ver e compreender como as partículas individuais da bateria são carregadas e descarregadas. "
O coração de uma bateria
No coração de cada bateria de íon de lítio está uma reação química simples na qual íons de lítio carregados positivamente se aninham na estrutura em forma de rede de um eletrodo de cristal conforme a bateria está descarregando, receber elétrons carregados negativamente no processo. Ao reverter a reação removendo elétrons, os íons são liberados e a bateria é carregada.
Esses processos básicos - conhecidos como litiação (descarga) e deslitiação (carga) - são prejudicados por um calcanhar de Aquiles eletroquímico. Raramente os íons se inserem uniformemente na superfície das partículas. Em vez de, certas áreas assumem mais íons, e outros menos. Essas inconsistências eventualmente levam a tensões mecânicas à medida que áreas da estrutura do cristal ficam sobrecarregadas com íons e desenvolvem pequenas fraturas, minando o desempenho da bateria e reduzindo sua vida útil.
"A litiação e a delitiação devem ser homogêneas e uniformes, "disse Yiyang Li, candidato a doutorado no laboratório de Chueh e co-autor principal do artigo. "Na realidade, Contudo, eles são muito não uniformes. Em nossa melhor compreensão do processo, este artigo traça um caminho para suprimir o fenômeno. "
Jongwoo Lim, Yiyang Li, e William Chueh do Stanford and SLAC National Accelerator Laboratory e David Shapiro do Lawrence Berkeley National Laboratory estão em frente ao microscópio de raios-X na Advanced Light Source. Crédito:Laboratório Nacional Paul Mueller / Lawrence Berkeley
Para pesquisadores que desejam melhorar as baterias, como Chueh e sua equipe, neutralizar essas forças prejudiciais pode levar a baterias que carregam mais rápida e completamente, durando muito mais do que os modelos de hoje.
Este estudo visualiza a reação de carga / descarga em tempo real - algo que os cientistas chamam de operando - em detalhes e escala. A equipe utilizou raios X brilhantes e microscópios de última geração na fonte de luz avançada do Lawrence Berkeley National Laboratory.
“O fenômeno revelado por esta técnica, Achei que nunca seria visualizado em minha vida. É uma grande mudança no campo da bateria, "disse Martin Bazant, um professor de engenharia química e matemática do MIT que conduziu a parte teórica do estudo.
Chueh e sua equipe criaram uma bateria transparente usando os mesmos materiais ativos encontrados em smartphones e veículos elétricos. Ele foi projetado e fabricado em colaboração com a Hummingbird Scientific. Consiste em dois muito finos, nitreto de silício transparente "janelas". O eletrodo da bateria, feito de uma única camada de nanopartículas de fosfato de ferro e lítio, fica na membrana dentro da lacuna entre as duas janelas. Um fluido salgado, conhecido como eletrólito, flui na lacuna para entregar os íons de lítio às nanopartículas.
"Este foi um muito, bateria muito pequena, segurando dez bilhões de vezes menos carga do que uma bateria de smartphone, "Chueh disse." Mas nos permite uma visão clara do que está acontecendo em nanoescala. "
Avanços significativos
Em seu estudo, os pesquisadores descobriram que o processo de carga (delitiação) é significativamente menos uniforme do que a descarga (litiação). Curiosamente, os pesquisadores também descobriram que o carregamento mais rápido melhora a uniformidade, o que poderia levar a novos e melhores designs de bateria e estratégias de gerenciamento de energia.
"A uniformidade melhorada reduz o estresse mecânico prejudicial aos eletrodos e melhora a ciclabilidade da bateria, "Chueh disse." Além das baterias, este trabalho pode ter um impacto de longo alcance em muitos outros materiais eletroquímicos. "Ele apontou para os catalisadores, dispositivos de memória, e o chamado vidro inteligente, que transita de translúcido para transparente quando eletricamente carregado.
Além do conhecimento científico adquirido, o outro avanço significativo do estudo é a própria técnica de microscopia de raios-X, que foi desenvolvido em colaboração com os cientistas da Berkeley Lab Advanced Light Source Young-sang Yu, David Shapiro, e Tolek Tyliszczak. O microscópio, que está alojado na fonte de luz avançada, poderia afetar a pesquisa de energia em toda a linha, revelando dinâmicas nunca antes vistas em nanoescala.
"O que aprendemos aqui não é apenas como fazer uma bateria melhor, mas nos oferece uma nova janela profunda na ciência das reações eletroquímicas em nanoescala, "Bazant disse.
