As baterias de íon de lítio que alimentam laptops, carros elétricos e tantos outros dispositivos modernos operam em um plano simples:íons de lítio vão e voltam entre dois eletrodos, inserindo-se em um dos eletrodos conforme a bateria é carregada e movendo-se para o outro conforme a bateria é descarregada. A velocidade e a facilidade de deslocamento através do eletrólito líquido da bateria ajudam a determinar a rapidez com que a bateria pode ser carregada.

Agora, os cientistas deram uma olhada mais de perto no que acontece dentro de alguns nanômetros do eletrodo, onde as moléculas de eletrólito que normalmente se movem livremente se organizam em camadas que ficam diretamente nos caminhos dos íons de lítio.

Eles observaram diretamente essa estratificação pela primeira vez em experimentos de raios-X no Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia. Os resultados sugerem que a alteração da concentração de íons de lítio no eletrólito pode alterar o arranjo das camadas moleculares e tornar mais fácil para os íons entrarem e saírem do eletrodo.

"Esse processo de entrada dos íons no eletrodo é muito importante em termos de quão rápido você pode carregar a bateria e quanto tempo a bateria dura, "disse Michael Toney, um distinto cientista da equipe da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) e co-líder do estudo. "Compreender os detalhes em nanoescala de como isso funciona pode sugerir maneiras de aumentar a velocidade e a eficiência do carregamento."

O relatório foi aceito para publicação em Energia e Ciência Ambiental , e uma cópia antecipada é postada no site da revista.

Sondando um eletrólito comercial

Em baterias de íon de lítio, o eletrólito consiste em lítio e outros íons em um solvente, com as moléculas do solvente se movendo como se estivessem em qualquer outro líquido. Mas com base na teoria e em simulações de computador anteriores, os cientistas suspeitaram fortemente de que algo diferente aconteceu no minúsculo volume do eletrólito que está bem próximo ao eletrodo. Aqui, eles pensaram, a presença da superfície dura do eletrodo induziria as moléculas do solvente a se alinharem e formarem camadas ordenadas. Contudo, confirmar isso por meio de experimentos revelou-se difícil.

Para esses últimos experimentos, A equipe de Toney usou um material de óxido de metal para representar o eletrodo, banhado em um eletrólito normalmente encontrado em baterias comerciais de íon-lítio.

Ao focar um feixe de raios-X de alto brilho de SSRL na superfície do eletrodo e analisar os raios-X que voltaram através do eletrólito, como a luz refletida em um espelho, os pesquisadores foram capazes de determinar as estruturas e posições de moléculas de solvente individuais e íons de lítio que estavam a alguns bilionésimos de metro da superfície do eletrodo, disse Hans-Georg Steinrück, um pesquisador de pós-doutorado no grupo de Toney e co-líder dos experimentos. Simulações de dinâmica molecular complementaram e concordaram com os resultados experimentais.

"Podemos ver as posições de íons e moléculas de solvente perto do eletrodo com resolução de angstrom, e também ver como eles são orientados na superfície do eletrodo, "Steinrück disse." Eles estão dispostos em camadas bem definidas na fronteira, e a primeira camada fica plana, paralelo à superfície do eletrodo; então eles se tornam mais desordenados, mais típico de um líquido, conforme você se move para fora da superfície. "Essas camadas ordenadas tornam mais difícil para os íons de lítio se moverem rapidamente através das camadas e para dentro do eletrodo.

Mudança de classificação de moléculas

Contudo, conforme a concentração de íons de lítio no eletrólito aumentou, o arranjo das camadas mudou; ficou um pouco mais ordenado, e as camadas estavam mais distantes, Steinrück disse. Isso levou os pesquisadores a uma conclusão que parece quase o oposto do que você esperava.

"Nossa hipótese é que se você quiser melhorar o transporte de íons de lítio, você deseja diminuir a quantidade de ordem nas camadas, e isso significa diminuir a concentração de íons de lítio em vez de aumentá-la, " ele disse.

Steinrück disse que a equipe explorará ainda mais essa via de pesquisa, acrescentando que o conhecimento fundamental obtido com esta técnica também pode ser aplicado a estudos de outros tipos de baterias de próxima geração e sistemas de armazenamento de energia.