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Pesquisadores de todo o mundo têm a missão de aliviar um gargalo na revolução da energia limpa: as baterias. De veículos elétricos a armazenamento de energia renovável em escala de rede, as baterias estão no centro das inovações ecológicas mais cruciais da sociedade – mas elas precisam armazenar mais energia para tornar essas tecnologias difundidas e práticas.
Agora, uma equipe de cientistas liderada por químicos do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) desvendou os complexos mecanismos químicos de um componente da bateria que é crucial para aumentar a densidade de energia: a interfase. Seu trabalho publicado hoje em Natureza Nanotecnologia.
Consórcio Battery500 do DOE se concentra em ânodos metálicos de lítio
Muitos eletrônicos, incluindo smartphones e até veículos elétricos, atualmente dependem de baterias convencionais de íon-lítio. Embora as baterias de íons de lítio tenham se tornado comuns devido à sua alta eficiência e longa vida útil, essas baterias enfrentam desafios em aplicações mais exigentes, como alimentar veículos elétricos em longas distâncias.
Para construir uma bateria melhor para veículos elétricos, pesquisadores de vários laboratórios nacionais e universidades patrocinadas pelo DOE formaram um consórcio chamado Battery500. Liderado pelo PNNL, o consórcio visa fabricar células de bateria com uma densidade de energia de 500 watts-hora por quilograma – mais que o dobro da densidade de energia das baterias de última geração de hoje. Para fazer isso, a equipe está se concentrando em baterias de metal de lítio. Enquanto as baterias de íons de lítio dependem de ânodos de grafite, essas baterias usam ânodos metálicos de lítio.
Os ânodos metálicos de lítio fornecem uma densidade de energia muito maior do que os ânodos de grafite, mas há compensações. Um dos maiores desafios que os cientistas enfrentam atualmente é encontrar uma maneira de estabilizar o ânodo à medida que a bateria carrega e descarrega.
Em busca desse método, os cientistas do Brookhaven Lab e do PNNL conduziram um estudo aprofundado sobre a interfase sólido-eletrólito das baterias de metal de lítio. A interfase é uma camada química formada entre o ânodo e o eletrólito à medida que a bateria carrega e descarrega. Os cientistas aprenderam que a interfase é a chave para estabilizar as baterias de metal de lítio, mas é uma amostra muito sensível com química complicada, dificultando seu estudo e, portanto, difícil de entender completamente.
“A interfase influencia a ciclabilidade de toda a bateria. É um sistema muito importante, mas indescritível”, disse Enyuan Hu, químico de Brookhaven, que liderou o estudo. “Muitas técnicas podem danificar esta amostra pequena e sensível, que também possui fases cristalinas e amorfas”.
A comunidade científica realizou muitos estudos usando uma variedade de técnicas experimentais, incluindo microscopia crioeletrônica, para entender melhor a interfase – mas o quadro ainda está longe de ser claro e completo.
“Uma compreensão abrangente da interfase fornece a base para a construção de uma interfase eficaz”, disse o cientista do PNNL Xia Cao, que co-liderou o estudo e liderou o desenvolvimento do eletrólito. “O Consórcio Battery500 incentiva fortemente as colaborações. Temos colaborado estreitamente com o Brookhaven Lab em muitos projetos científicos, especialmente no entendimento da interfase.”
Para mergulhar mais fundo na química complexa e indescritível da interfase, a equipe recorreu a uma ferramenta única chamada National Synchrotron Light Source II (NSLS-II).
NSLS-II ilumina a química da interfase
O NSLS-II é um DOE Office of Science User Facility no Brookhaven Lab que gera raios-x ultrabrilhantes para estudar a composição de materiais em escala atômica. Hu e seus colegas têm aproveitado os recursos avançados da linha de luz de difração de pó de raios X (XPD) no NSLS-II para fazer novas descobertas na química da bateria por muitos anos. Com base em seus sucessos anteriores, a equipe voltou ao XPD para reunir suas descobertas mais precisas sobre a interfase.
“Descobrimos anteriormente que os raios-x síncrotron de alta energia não danificam a amostra de interfase”, disse Hu. “Isso é muito importante porque um dos maiores desafios na caracterização da interfase é que as amostras são altamente sensíveis a outros tipos de radiação, inclusive raios-x de baixa energia. Por isso, neste trabalho, aproveitamos duas técnicas que usam alta energia raios-x, difração de raios-x e análise da função de distribuição de pares, para capturar as químicas das fases cristalina e amorfa na interfase do ânodo metálico de lítio.”
Depois de ciclar uma bateria de metal de lítio 50 vezes e coletar amostras de interfase suficientes, a equipe desmontou a célula, raspou uma quantidade residual de pó de interfase da superfície do metal de lítio e direcionou raios-x de alta energia do XPD para a amostra para revelar sua química complicada.
“O XPD é uma das poucas linhas de luz no mundo capaz de realizar essa pesquisa”, disse Sanjit Ghose, cientista líder de linhas de luz no XPD e coautor do estudo. “A linha de luz forneceu três vantagens para este trabalho: uma pequena seção transversal de absorção, que danifica menos a amostra; técnicas combinadas, difração de raios-x para obter a informação de fase e função de distribuição de pares para informações do espaço real; e um feixe de alta intensidade para entregar dados de qualidade de uma amostra de rastreamento.”
Essa combinação única de técnicas avançadas de raios-x forneceu à equipe um mapa químico detalhado dos componentes da interfase – suas origens, funcionalidades, interações e evoluções.
“Focamos em três componentes diferentes da interfase”, disse Sha Tan, pós-doutorando de Brookhaven, primeiro autor do artigo. “Primeiro foi o hidreto de lítio e seu mecanismo de formação. Descobrimos anteriormente que o hidreto de lítio existia na interfase e, desta vez, identificamos a fonte de hidrogênio.”
Especificamente, a equipe identificou que o hidróxido de lítio, que pode ser encontrado nativamente no ânodo metálico de lítio, é o provável contribuinte para o hidreto de lítio. Controlar a composição deste composto ajudará os cientistas a projetar uma interfase melhorada com o mais alto desempenho possível.
“Em segundo lugar, estudamos o fluoreto de lítio, que é muito importante para o desempenho eletroquímico, e descobrimos que ele pode ser formado em larga escala em eletrólitos de baixa concentração”, disse Tan.
Anteriormente, os cientistas acreditavam que o fluoreto de lítio só poderia ser formado em eletrólitos usando eletrólitos de alta concentração, que dependem de sais caros. Assim, o trabalho fornece evidências de que eletrólitos de baixa concentração, que são mais econômicos, podem ter um bom desempenho nesses sistemas de bateria.
“Em terceiro lugar, analisamos o hidróxido de lítio para entender como ele é consumido durante o ciclo da bateria. Todas essas descobertas são muito novas e importantes para entender a interfase”.
Combinadas, essas descobertas ajudam a esclarecer os componentes anteriormente negligenciados da interfase e permitirão um design de interfase mais preciso e controlável para baterias de metal de lítio.
Avançando, a equipe continua a contribuir com estudos adicionais para o consórcio Battery500. O Battery500 está atualmente em sua segunda fase, que continuará até 2026.
Este trabalho foi financiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, Escritório de Tecnologias de Veículos e Escritório de Ciências do DOE. As operações no NSLS-II são apoiadas pelo Office of Science.
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