p Algumas imperfeições pagam grandes dividendos. p Uma colaboração liderada por Cornell usou nanoimagem de raios-X para obter uma visão sem precedentes dos eletrólitos de estado sólido, revelando defeitos de cristal anteriormente não detectados e deslocamentos que agora podem ser aproveitados para criar materiais de armazenamento de energia superiores.

p O jornal do grupo, "Nanoimagem de raios-X de defeitos de cristal em grãos únicos de eletrólito de estado sólido Li ₇ -3 _x Al _x La ₃ Zr ₂ O ₁₂ , "publicado em 29 de abril em Nano Letras , uma publicação da American Chemical Society. O autor principal do artigo é o estudante de doutorado Yifei Sun.

p Por meio século, os cientistas de materiais têm investigado os efeitos de pequenos defeitos nos metais. A evolução das ferramentas de imagem agora criou oportunidades para explorar fenômenos semelhantes em outros materiais, mais notavelmente aqueles usados ​​para armazenamento de energia.

p Um grupo liderado por Andrej Singer, professor assistente e David Croll Sesquicentennial Faculty Fellow no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, usa radiação síncrotron para descobrir defeitos em escala atômica em materiais de bateria que as abordagens convencionais, como microscopia eletrônica, não conseguiram encontrar.

p O Grupo Singer está particularmente interessado em eletrólitos de estado sólido porque eles podem ser usados ​​para substituir os eletrólitos líquidos e poliméricos em baterias de íon-lítio. Uma das principais desvantagens dos eletrólitos líquidos é que eles são suscetíveis à formação de dendritos pontiagudos entre o ânodo e o cátodo, que causa curto na bateria ou, pior ainda, fazer com que ele exploda.

p Eletrólitos de estado sólido têm a virtude de não serem inflamáveis, mas eles apresentam seus próprios desafios. Eles não conduzem íons de lítio tão forte ou rapidamente quanto os fluidos, e manter o contato entre o ânodo e o cátodo pode ser difícil. Eletrólitos de estado sólido também precisam ser extremamente finos; de outra forma, a bateria seria muito volumosa e qualquer ganho de capacidade seria anulado.

p A única coisa que poderia tornar os eletrólitos de estado sólido viáveis? Pequenos defeitos, Disse Singer.

p "Esses defeitos podem facilitar a difusão iônica, para que eles possam permitir que os íons sejam mais rápidos. Isso é algo que acontece com metais, "disse ele." Também como nos metais, ter defeitos é melhor em termos de prevenção de fratura. Assim, eles podem tornar o material menos sujeito a quebrar. "

p O grupo de Singer colaborou com Nikolaos Bouklas, professor assistente na Escola Sibley de Engenharia Mecânica e Aeroespacial e co-autor do artigo, que os ajudou a entender como defeitos e deslocamentos podem impactar as propriedades mecânicas de eletrólitos de estado sólido.

p A equipe de Cornell fez parceria com pesquisadores da Virginia Tech, liderados por Feng Lin, o co-autor sênior do artigo - que sintetizou a amostra:uma estrutura de cristal granada, óxido de lítio lantânio zircônio (LLZO), com várias concentrações de alumínio adicionadas em um processo chamado dopagem.

p Usando a Fonte Avançada de Fótons do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA, eles empregaram uma técnica chamada Bragg Coherent Diffractive Imaging em que um puro, O feixe de raios X em coluna é focado - como um apontador laser - em um único grão de tamanho de mícron de LLZO. Eletrólitos consistem em milhões desses grãos. O feixe criou uma imagem 3D que revelou a morfologia do material e os deslocamentos atômicos.

p "Esses eletrólitos foram considerados cristais perfeitos, "Disse Sun." Mas o que encontramos são defeitos como deslocamentos e limites de grãos que não foram relatados antes. Sem nossa imagem 3D, que é extremamente sensível a defeitos, seria provavelmente impossível ver esses deslocamentos porque a densidade de deslocamento é muito baixa. "

p Os pesquisadores agora planejam conduzir um estudo que mede como os defeitos afetam o desempenho dos eletrólitos de estado sólido em uma bateria real.

p "Agora que sabemos exatamente o que estamos procurando, queremos encontrar esses defeitos e examiná-los enquanto operamos a bateria, "Disse Singer." Ainda estamos longe disso, mas podemos estar no início de um novo desenvolvimento onde podemos projetar esses defeitos de propósito para fazer melhores materiais de armazenamento de energia. "