p Uma propriedade inesperada dos cristais de antimônio em escala nanométrica - a formação espontânea de estruturas ocas - poderia ajudar a dar à próxima geração de baterias de íon de lítio maior densidade de energia sem reduzir a vida útil da bateria. As estruturas reversivelmente ocas podem permitir que as baterias de íon de lítio retenham mais energia e, portanto, forneçam mais energia entre as cargas. p O fluxo de íons de lítio para dentro e para fora dos ânodos das baterias de liga tem sido um fator limitante na quantidade de energia que as baterias poderiam conter usando materiais convencionais. Muito fluxo de íons faz com que os materiais do ânodo inchem e depois encolham durante os ciclos de carga-descarga, causando degradação mecânica que encurta a vida útil da bateria. Para resolver esse problema, pesquisadores já desenvolveram nanopartículas ocas de "casca de gema" que acomodam a mudança de volume causada pelo fluxo de íons, mas fabricá-los foi complexo e caro.

p Agora, uma equipe de pesquisa descobriu que partículas mil vezes menores que a largura de um cabelo humano espontaneamente formam estruturas ocas durante o ciclo de carga-descarga sem mudar de tamanho, permitindo mais fluxo de íons sem danificar os ânodos. A pesquisa foi relatada em 1º de junho na revista Nature Nanotechnology .

p "A engenharia intencional de nanomateriais ocos já é feita há algum tempo, e é uma abordagem promissora para melhorar a vida útil e a estabilidade de baterias com alta densidade de energia, "disse Matthew McDowell, professor assistente na Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff e na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais do Instituto de Tecnologia da Geórgia. "O problema é que sintetizar diretamente essas nanoestruturas ocas em grandes escalas necessárias para aplicações comerciais é desafiador e caro. Nossa descoberta pode oferecer uma solução mais fácil, processo simplificado que pode levar a um melhor desempenho de maneira semelhante às estruturas ocas projetadas intencionalmente. "

p Os pesquisadores fizeram sua descoberta usando um microscópio eletrônico de alta resolução que lhes permitiu visualizar diretamente as reações da bateria à medida que ocorrem em nanoescala. "Este é um tipo de experimento complicado, mas se você for paciente e fizer os experimentos certos, você pode aprender coisas realmente importantes sobre como os materiais se comportam nas baterias, "McDowell disse.

p O time, que incluiu pesquisadores do ETH Zürich e Oak Ridge National Laboratory, também usou a modelagem para criar uma estrutura teórica para entender por que as nanopartículas se ocasionam espontaneamente - em vez de encolher - durante a remoção do lítio da bateria.

p A capacidade de formar e preencher reversivelmente partículas ocas durante o ciclo da bateria ocorre apenas em nanocristais de antimônio revestidos de óxido que têm menos de aproximadamente 30 nanômetros de diâmetro. A equipe de pesquisa descobriu que o comportamento surge de uma camada de óxido nativo resiliente que permite a expansão inicial durante a litiação - fluxo de íons para o ânodo - mas impede mecanicamente o encolhimento, pois o antimônio forma vazios durante a remoção de íons, um processo conhecido como delitiação.

p A descoberta foi um pouco surpreendente porque trabalhos anteriores em materiais relacionados foram realizados em partículas maiores, que se expandem e encolhem em vez de formar estruturas ocas. "Quando observamos pela primeira vez o comportamento distinto de esvaziamento, foi muito emocionante e soubemos imediatamente que isso poderia ter implicações importantes para o desempenho da bateria, "McDowell disse.

p O antimônio é relativamente caro e atualmente não é usado em eletrodos de bateria comerciais. Mas McDowell acredita que o esvaziamento espontâneo também pode ocorrer em materiais relacionados menos caros, como o estanho. As próximas etapas incluiriam o teste de outros materiais e o mapeamento de um caminho para o aumento de escala comercial.

p "Seria interessante testar outros materiais para ver se eles se transformam de acordo com um mecanismo de esvaziamento semelhante, "disse ele." Isso poderia expandir a gama de materiais disponíveis para uso em baterias. As pequenas baterias de teste que fabricamos mostraram um desempenho de carga-descarga promissor, portanto, gostaríamos de avaliar os materiais em baterias maiores. "

p Embora possam ser caros, os nanocristais de antimônio auto-ocos têm outra propriedade interessante:eles também podem ser usados ​​em baterias de íon sódio e íon potássio, sistemas emergentes para os quais muito mais pesquisas devem ser feitas.

p “Este trabalho avança nosso entendimento de como esse tipo de material evolui dentro das baterias, "McDowell disse." Esta informação será crítica para implementar o material ou materiais relacionados na próxima geração de baterias de íon-lítio, que será capaz de armazenar mais energia e ser tão durável quanto as baterias que temos hoje. "