De acordo com relatos da mídia estrangeira, um grupo de pesquisadores do Laboratório Nacional de Brookhaven (Laboratório Nacional de Brookhaven) do Departamento de Energia dos Estados Unidos (DOE) determinou novos detalhes sobre o mecanismo de reação interna das baterias de ânodo de metal de lítio. , Um passo importante para baterias de veículos elétricos mais baratas.

Pesquisadores de baterias no Laboratório Nacional de Brookhaven (fonte da imagem: Laboratório Nacional de Brookhaven)

Remanufatura de ânodo de lítio

De smartphones a veículos elétricos, podemos ver a tradição. Embora as baterias de lítio tenham permitido que muitas tecnologias fossem amplamente utilizadas, elas ainda enfrentam desafios no fornecimento de energia de longa distância para veículos elétricos.

Battery500, uma aliança liderada por pesquisadores universitários financiada pelo Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico do Departamento de Energia dos EUA (PNNL) e pelo Departamento de Energia dos EUA, tem como objetivo criar uma célula de bateria com densidade de energia de 500Wh / kg. Em outras palavras, é o dobro da densidade de energia das baterias mais avançadas de hoje. Para isso, a aliança se concentra em baterias feitas de ânodos de metal de lítio.

As baterias de metal de lítio usam metal de lítio como ânodo. Em contraste, a maioria das baterias de lítio usa grafite como ânodo. “O ânodo de lítio é um dos fatores-chave para atingir a meta de densidade de energia do Battery500”, disseram os pesquisadores. “A vantagem é que a densidade de energia é o dobro das baterias existentes. Primeiro, a capacidade específica do ânodo é muito alta; segundo, você pode ter uma bateria de voltagem mais alta e a combinação das duas pode ter uma densidade de energia mais alta. ”

Os cientistas há muito reconheceram as vantagens dos ânodos de lítio; na verdade, o ânodo de metal de lítio é o primeiro ânodo acoplado ao cátodo da bateria. Porém, devido à falta de “reversibilidade” do ânodo, ou seja, a capacidade de carregar por uma reação eletroquímica reversível, os pesquisadores de baterias acabaram usando ânodos de grafite em vez de ânodos de metal de lítio para fazer baterias de lítio.

Agora, após décadas de progresso, os pesquisadores estão confiantes para criar um ânodo reversível de metal de lítio para empurrar os limites das baterias de lítio. A chave é a interface, a camada de material sólido que se forma nos eletrodos da bateria durante a reação eletroquímica.

“Se pudermos entender completamente essa interface, ela pode fornecer orientações importantes para o design de material e fabricação de ânodos de lítio reversíveis”, disseram os pesquisadores. “Mas entender essa interface é um grande desafio porque é uma camada muito fina de material, com apenas alguns nanômetros de espessura e é sensível ao ar e à umidade, portanto, o manuseio de amostras é complicado.”

Esta interface é visualizada em NSLS-II

Para resolver esses desafios e “ver” a composição química e a estrutura da interface, os pesquisadores usaram a National Synchrotron Radiation Light Source II (NSLS-II), uma instalação do usuário do DOE Science Office do Laboratório Nacional de Brookhaven, que produz raios-X superbrilhantes para estudar as propriedades do material da interface na escala atômica.

Além de usar os recursos avançados do nSLS-II, a equipe também precisa usar uma linha de feixe (estação experimental) que pode detectar todos os componentes da interface e usar raios X de alta energia (comprimento de onda curto) para detectar cristalino e fases amorfas.

“A equipe de química adotou a abordagem multimodo XPD, usando duas técnicas diferentes fornecidas pela linha de luz, difração de raios-X (XRD) e análise de função de distribuição (PDF)”, disseram os pesquisadores. “O XRD pode estudar as fases cristalinas e o PDF pode estudar as fases amorfas.”

A análise de XRD e PDF revelou resultados interessantes: Hidreto de lítio (LiH) existe na interface. Por décadas, os cientistas têm discutido sobre a existência de LiH na interface, criando incerteza sobre o mecanismo básico de reação que forma a interface.

“LiH e fluoreto de lítio (LiF) têm estruturas de cristal muito semelhantes. Nossa alegação sobre a descoberta de LiH foi questionada por algumas pessoas que acreditam que confundimos LiF com LiH ”, disse o pesquisador.

Em vista da controvérsia envolvida no estudo e dos desafios técnicos de distinguir LiH de LiF, a equipe de pesquisa decidiu fornecer várias evidências da existência de LiH, incluindo a realização de experimentos de exposição ao ar.

“Os pesquisadores disseram:“ LiF é estável no ar, mas LiH é instável. Se expormos a interface ao ar úmido e se a quantidade de composto diminuir com o tempo, podemos confirmar que estamos realmente vendo LiH, não LiF, e é LiF. Devido à dificuldade de distinguir LiH de LiF e o experimento de exposição ao ar nunca foi realizado antes, LiH é mais provável de ser confundido com LiF em muitos relatórios da literatura, ou não é observado devido à decomposição de LiH em um ambiente úmido. ”

O pesquisador continuou. “O trabalho de preparação de amostras feito pelo PNNL é fundamental para esta pesquisa. Suspeitamos que muitas pessoas não conseguem identificar LiH porque suas amostras foram expostas a um ambiente úmido antes do experimento. ” Se você não coletou as amostras corretamente, selou as amostras e remeteu as amostras, você pode perder o LiH. ”

Além de confirmar a existência de LiH, a equipe também resolveu outro mistério antigo em torno de LiF. Há muito tempo, o LiF é considerado um componente benéfico da interface, mas ninguém entende completamente o motivo. A equipe determinou as diferenças estruturais do LiF dentro da interface e a maioria das diferenças estruturais do próprio LiF, e descobriu que o primeiro promoveu o transporte de íons de lítio entre o ânodo e o cátodo.

Cientistas de baterias do Laboratório Nacional de Brookhaven, outros laboratórios nacionais e universidades continuam a cooperar. Os pesquisadores disseram que esses resultados fornecerão uma orientação prática muito necessária para o desenvolvimento de ânodos de metal de lítio.