p Cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) descobriram um jogo molecular de cadeiras musicais que prejudica o desempenho da bateria. p Em um artigo publicado em Nature Nanotechnology , os pesquisadores demonstram como a excitação de átomos de oxigênio que contribui para um melhor desempenho de uma bateria de íon-lítio também desencadeia um processo que leva a danos, explicando um fenômeno que tem sido um mistério para os cientistas.

p A pesquisa aponta a ciência por trás de uma barreira no caminho para a criação de vida mais longa, baterias de íon de lítio recarregáveis ​​de maior capacidade. É uma descoberta inesperada sobre um processo que ocorre todos os dias nas baterias que alimentam os telefones celulares, laptops, e carros elétricos.

p A desvantagem do oxigênio

p Controlar como as moléculas se encaixam e fluem é crucial para a capacidade de uma bateria de armazenar e liberar energia. Em uma bateria de íon de lítio, o processo de carregamento inclui o fluxo de íons de lítio do cátodo através do eletrólito para o ânodo. Ao descarregar, esses mesmos íons fazem uma viagem de volta ao cátodo, onde eles devem se acomodar em suas posições atribuídas em uma estrutura estritamente regulamentada onde outros átomos, como oxigênio, níquel, cobalto, e magnésio, também residem. Essa constante ida e volta é o que permite que a bateria armazene e libere energia.

p Para impulsionar esse processo, os cientistas aumentam o fluxo de lítio do cátodo usando oxigênio como doador de elétrons, mas isso resulta em átomos de oxigênio "excitados" que podem causar estragos no cátodo cuidadosamente construído. A equipe do PNNL descobriu que essas moléculas de oxigênio são criadoras de travessuras:elas são muito móveis e provavelmente escapam da superfície, levando a menos capacidade e, eventualmente, à falha da bateria, e eles trocam posições moleculares com facilidade, enfatizando a estrutura da bateria.

p "Os átomos de oxigênio oferecem elétrons, e isso aumenta a capacidade. Mas há um custo a ser pago; as pessoas não perceberam isso, "disse o cientista do PNNL Chongmin Wang, quem conduziu o estudo. "Sabemos que o oxigênio aumenta o desempenho da bateria, mas não entendemos completamente todos os princípios envolvidos."

p Batalha no cátodo

p A equipe de Wang rastreou precisamente o que acontece com o oxigênio no cátodo, revelando um conto de cadeiras musicais moleculares envolvendo valentões "excitados com oxigênio, "enormes lacunas criadas por sua saída oportunista da estrutura, e os íons de lítio frustrados em seu esforço para voltar de onde vieram.

p A equipe mostrou que átomos de oxigênio excessivamente excitados - criados quando os átomos de oxigênio doaram seus elétrons - estão propensos a escapar da superfície do cátodo, deixando uma vaga na estrutura da bateria cuidadosamente construída.

p Quando os átomos de oxigênio da superfície partem, átomos de oxigênio adicionais na estrutura em massa abrem caminho para essas fendas agora vazias. Mais e mais moléculas de oxigênio seguem o exemplo em uma reação em cadeia, trabalhando seu caminho para as ranhuras vazias e escapando da superfície. Conforme o processo continua, defeitos migram da superfície do cátodo mais profundamente no material, criando um grande buraco ou vazio. A atividade imita um processo que muitos de nós conhecemos muito bem:cárie dentária, que começa com um pequeno defeito em uma superfície, mas eventualmente vai mais fundo e causa um problema maior.

p A troca de local causa estragos na estrutura atômica anteriormente ordenada de uma bateria. Outros átomos como o níquel, magnésio, cobalto, e o oxigênio começa a se mover e agir efetivamente como valentões, é provável que roube um assento designado para lítio enquanto o lítio está ausente, fazendo uma química útil para a bateria.

p E as vagas deixadas pelos átomos de oxigênio que partiram começam a se agrupar em vazios, apresentando barreiras formidáveis ​​e evitando que os íons de lítio voltem para onde pertencem. Quando menos átomos de lítio são capazes de se reafirmar nas posições corretas no cátodo, menos estão disponíveis para fazer a viagem de ida e volta entre o ânodo e o cátodo. Isso significa que a bateria armazena cada vez menos energia.

p Eventualmente, o alto número de vagas ou vazios desestabiliza a rede, levando a menos capacidade e, finalmente, à falha da bateria.

p Um guarda-costas para o oxigênio rebelde

p "Depois de perder átomos de oxigênio suficientes, a bateria perde capacidade e toda a estrutura desaba, "disse Wang, cuja equipe PNNL também trabalhou com cientistas da Universidade de Tecnologia de Pequim na China, Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, e o Laboratório Nacional de Argonne.

p A equipe está explorando maneiras de impedir esses defeitos. Uma ideia é estabilizar o oxigênio na superfície - para prender os átomos de oxigênio em sua posição correta com mais firmeza e torná-los menos propensos a escapar da superfície. A equipe de Wang está explorando o uso de moléculas de zircônia para exercer sua influência química e agir como uma espécie de guarda-costas para manter os átomos de oxigênio em suas posições adequadas. This would mean less loss of oxygen and would help keep the whole structure in order, allowing lithium ions to move back and forth with ease.