Quando você carrega uma bateria, ou quando você o usa, não é apenas eletricidade, mas também matéria que se move por dentro. Íons, que são átomos ou moléculas que têm carga elétrica, viajar de um dos eletrodos da bateria para o outro, fazendo os eletrodos encolher e inchar. Na verdade, é um mistério antigo por que materiais de eletrodo bastante frágeis não racham sob a pressão desses ciclos de expansão e contração.

A resposta pode ter finalmente sido encontrada. Uma equipe de pesquisadores do MIT, a Universidade do Sul da Dinamarca, Rice University, e o Argonne National Laboratory determinou que o segredo está na estrutura molecular dos eletrodos. Embora os materiais do eletrodo sejam normalmente cristalinos, com todos os seus átomos bem organizados em um regular, matriz repetitiva, quando eles passam pelo processo de carga ou descarga, eles são transformados em desordenados, fase vítrea que pode acomodar a tensão das mudanças dimensionais.

As novas descobertas, o que pode afetar o design futuro da bateria e até mesmo levar a novos tipos de atuadores, são relatados no jornal Nano Letras , em um artigo do professor de ciência de materiais e engenharia do MIT Yet-Ming Chiang, alunos de pós-graduação Kai Xiang e Wenting Xing, e outros oito.

Em teoria, se você esticar uma bateria de íon de lítio sobre um ponto de apoio, com um eletrodo em cada lado, Chiang diz, "subia e descia como uma gangorra" enquanto era carregada e descarregada. A mudança na massa conforme os íons vão e voltam também é acompanhada por uma expansão ou contração que pode variar, dependendo do material, "de 1 por cento ou mais, até o silício, que pode expandir em 300 por cento, " ele diz.

Esta pesquisa tratou de um tipo diferente de bateria, chamada bateria de íon de sódio. Os cientistas analisaram uma classe particular de materiais vistos como catodos de bateria em potencial (eletrodos positivos), chamados fosfo-olivinas, e especificamente no sódio-ferro-fosfato (NaFePO ₄ ) Eles descobriram que é possível ajustar as mudanças de volume em uma faixa muito ampla - mudando não apenas o quanto o material se expande e se contrai, mas também a dinâmica de como isso acontece. Para algumas composições, a expansão é muito lenta e gradual, mas para outros pode aumentar repentinamente.

"Dentro desta família de olivinas, "Chiang diz, "podemos ter este lento, mudança gradual, "abrangendo toda a faixa de carga quase zero a potência muito alta. Como alternativa, a mudança pode ser "algo muito drástico, "como é o caso do NaFePO ₄ , que muda rapidamente seu volume em cerca de 17 por cento.

"Sabemos que compostos frágeis como este normalmente se quebrariam com menos de 1 por cento de alteração de volume, "Chiang diz." Então, como este material acomoda mudanças de volume tão grandes? O que encontramos, num sentido, é que o cristal desiste e forma um vidro desordenado "em vez de manter sua estrutura precisamente ordenada.

"Este é um mecanismo que achamos que pode ser aplicado de forma mais ampla a outros compostos deste tipo, " ele diz, acrescentando que a descoberta pode representar "uma nova maneira de criar materiais vítreos que podem ser úteis para baterias." Uma vez que a mudança para uma composição vítrea ocorre, suas mudanças de volume tornam-se graduais em vez de repentinas, e como resultado "pode ​​ter uma vida mais longa, "Chiang diz.

As descobertas podem fornecer uma nova ferramenta de design para quem está tentando desenvolver uma vida mais longa, baterias de maior capacidade, ele diz. Também pode levar a possíveis aplicativos em que as alterações de volume podem ser colocadas em uso, por exemplo, como atuadores robóticos ou como bombas para administrar medicamentos a partir de dispositivos implantáveis.

A equipe planeja continuar trabalhando em maneiras mais fáceis de sintetizar esses compostos de olivina, e determinar se há uma família mais ampla de materiais cristalinos que compartilham essa propriedade de mudança de fase.

Esta pesquisa fornece "uma contribuição seminal que liga o eletroquímico, mecânico, e aspectos cristalográficos dos eletrodos da bateria, "diz William Chueh, professor assistente de ciência de materiais e engenharia na Universidade de Stanford, que não estava envolvido neste trabalho.

"Os materiais do eletrodo usados ​​nas baterias de íon-lítio encolhem e expandem durante o carregamento e descarregamento, e muitas vezes desproporcionalmente dentro de uma única partícula. Se a tensão não pode ser acomodada, as partículas fraturam, eventualmente fazendo com que a bateria falhe. Isso é semelhante a um copo de cerâmica fria rachando quando a água fervente é derramada muito rapidamente, "Chueh diz. Este trabalho" identifica um novo mecanismo de alívio de tensão quando a mudança de volume é grande, que envolve a transformação do material de um sólido cristalino em um amorfo, em vez de fraturar. "

Esta descoberta, ele diz, "pode ​​levar os cientistas a revisitar os materiais da bateria anteriormente considerados inutilizáveis ​​devido à grande mudança de volume durante a carga e descarga. Isso também levaria a melhores modelos de previsão usados ​​por engenheiros para projetar baterias de nova geração."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.