O silício é a base da revolução digital, desviar muitos sinais em um dispositivo que provavelmente está a apenas alguns centímetros de seus olhos neste exato momento.

Agora, o mesmo abundante, o material barato está se tornando um sério candidato a um grande papel no florescente negócio de baterias. É especialmente atraente porque é capaz de reter 10 vezes mais energia em uma parte importante de uma bateria, o ânodo, do que o grafite amplamente utilizado.

Mas não tão rápido. Embora o silício tenha uma ótima reputação entre os cientistas, o próprio material incha quando faz parte de uma bateria. Ele incha tanto que o ânodo se lasca e racha, fazendo com que a bateria perca a capacidade de manter a carga e, por fim, falhe.

Agora, os cientistas testemunharam o processo pela primeira vez, um passo importante para tornar o silício uma escolha viável que pode melhorar o custo, desempenho e velocidade de carregamento de baterias para veículos elétricos, bem como telefones celulares, laptops, relógios inteligentes e outros dispositivos.

"Muitas pessoas imaginaram o que poderia estar acontecendo, mas ninguém realmente demonstrou antes, "disse Chongmin Wang, um cientista do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia. Wang é o autor correspondente do artigo publicado recentemente em Nature Nanotechnology.

De ânodos de silício, copos de manteiga de amendoim e passageiros de companhias aéreas embalados

Os íons de lítio são a moeda de energia em uma bateria de íons de lítio, viajando para frente e para trás entre dois eletrodos através de um líquido chamado eletrólito. Quando os íons de lítio entram em um ânodo feito de silício, eles abrem caminho para a estrutura ordenada, empurrando os átomos de silício para o lado errado, como um robusto passageiro de avião se espremendo no assento do meio em um vôo lotado. Essa "compressão de lítio" faz o ânodo inchar três ou quatro vezes seu tamanho original.

Quando os íons de lítio partem, as coisas não voltam ao normal. Os espaços vazios conhecidos como vagas permanecem. Os átomos de silício deslocados preenchem muitos, mas nem todos, das vagas, como passageiros rapidamente tomando de volta o espaço vazio quando o passageiro do meio se dirige para o banheiro. Mas os íons de lítio retornam, abrindo caminho novamente. O processo se repete conforme os íons de lítio se movem para frente e para trás entre o ânodo e o cátodo, e os espaços vazios no ânodo de silício se fundem para formar vazios ou lacunas. Essas lacunas se traduzem em falha da bateria.

Os cientistas sabem sobre o processo há anos, mas eles não haviam testemunhado exatamente como isso resulta em falha da bateria. Alguns atribuíram o fracasso à perda de silício e lítio. Outros culparam o espessamento de um componente-chave conhecido como interfase de eletrólito sólido ou SEI. O SEI é uma estrutura delicada na borda do ânodo que é uma importante porta de entrada entre o ânodo e o eletrólito líquido.

Em seus experimentos, a equipe observou enquanto as vagas deixadas pelos íons de lítio no ânodo de silício evoluíam para lacunas cada vez maiores. Em seguida, eles assistiram enquanto o eletrólito líquido fluía para as lacunas como pequenos riachos ao longo da costa, infiltrando o silício. Este influxo permitiu que o SEI se desenvolvesse em áreas dentro do silício onde não deveria estar, um invasor molecular em uma parte da bateria a que não pertence.

Isso criou zonas mortas, destruindo a capacidade do silício de armazenar lítio e arruinando o ânodo.

Pense em uma xícara de manteiga de amendoim em uma forma primitiva:o chocolate por fora é diferente da manteiga de amendoim macia por dentro. Mas se você segurá-lo na mão por muito tempo com um aperto muito forte, a casca externa amolece e se mistura com o chocolate macio de dentro. Você fica com uma única massa desordenada cuja estrutura é alterada de forma irreversível. Você não tem mais um verdadeiro copo de manteiga de amendoim. Da mesma forma, após o eletrólito e o SEI infiltrarem o silício, os cientistas não têm mais um ânodo funcional.

A equipe testemunhou o início desse processo imediatamente após apenas um ciclo de bateria. Após 36 ciclos, a capacidade da bateria de manter a carga diminuiu drasticamente. Após 100 ciclos, o ânodo estava arruinado.

Explorando a promessa dos ânodos de silício

Os cientistas estão trabalhando em maneiras de proteger o silício do eletrólito. Vários grupos, incluindo cientistas do PNNL, estão desenvolvendo revestimentos projetados para atuar como guardiões, permitindo que os íons de lítio entrem e saiam do ânodo enquanto param outros componentes do eletrólito.

Cientistas de várias instituições juntaram seus conhecimentos para fazer o trabalho. Cientistas do Laboratório Nacional de Los Alamos criaram os nanofios de silício usados ​​no estudo. Os cientistas do PNNL trabalharam em conjunto com colegas da Thermo Fisher Scientific para modificar um microscópio eletrônico de transmissão criogênica para reduzir os danos dos elétrons usados ​​para imagens. E os cientistas da Penn State University desenvolveram um algoritmo para simular a ação molecular entre o líquido e o silício.

Completamente, a equipe usou elétrons para fazer imagens de ultra-alta resolução do processo e, em seguida, reconstruiu as imagens em 3-D, semelhante a como os médicos criam uma imagem 3D do membro ou órgão de um paciente.

"Este trabalho oferece um roteiro claro para o desenvolvimento de silício como ânodo para uma bateria de alta capacidade, "disse Wang.