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Thomas Edison passou por milhares de materiais antes de finalmente encontrar o filamento de tungstênio certo para criar uma lâmpada funcional. Esse tipo de pesquisa de tentativa e erro continua até hoje e é responsável por inúmeras invenções que melhoram nosso mundo. Sistemas de bateria que ajudam a alimentar nossas vidas de muitas maneiras vistas (e invisíveis) são um exemplo.
No entanto, melhorar esses materiais e dispositivos requer mais do que experimentação. Engenheiros modernos também devem formar uma compreensão mais profunda dos princípios gerais que governam o desempenho do material, a partir dos quais eles podem projetar materiais melhores para atingir requisitos de produtos desafiadores.
Em um artigo publicado em 13 de agosto no Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS), a Universidade de Delaware, a Universidade Northwestern e pesquisadores da indústria relatam uma compreensão expandida sobre como os elétrons se movem através das partes condutoras de fluidos complexos chamados suspensões, encontrados em dispositivos eletroquímicos, como baterias e outros dispositivos de armazenamento de energia.
É um trabalho importante que pode ajudar a superar lacunas de conhecimento existentes sobre como os elétrons saltam entre partículas condutoras encontradas nesses materiais, à medida que engenheiros buscam novas maneiras de melhorar essa atividade.
O artigo é o resultado de uma pesquisa colaborativa entre Norman Wagner da UD, a Cátedra Unidel Robert L. Pigford em Engenharia Química e Biomolecular e pesquisadores liderados por Jeffrey Richards, professor assistente de engenharia química e biológica na Northwestern University e ex-pesquisador de pós-doutorado da UD. Os principais autores do artigo incluem a ex-aluna da UD Julie Hipp, que obteve seu doutorado em engenharia química e biomolecular em 2020 e agora é cientista sênior na Procter and Gamble, e Paolo Ramos, ex-aluno de pós-graduação da NU agora na L’Oreal. O candidato a doutorado da NU Qingsong Liu também contribuiu para este trabalho.
De acordo com Wagner, ao combinar experimentos cuidadosamente projetados e conduzidos com teoria e simulação de última geração, a equipe de pesquisa descobriu que melhorar o desempenho requer mais do que química de formulação. Também requer entender como a condutividade elétrica se comporta conforme os materiais de lama são processados e fabricados.
“Para controlar o desempenho do dispositivo, não basta controlar apenas a química, temos que controlar a microestrutura também”, disse Wagner. Isso ocorre porque a microestrutura final do material — ou seja, como todos os componentes se juntam — regula como os elétrons podem se mover, impactando a potência e a eficiência do dispositivo.
O desempenho depende dos detalhes
Embora existam muitos dispositivos eletroquímicos, vamos ficar com o exemplo da bateria por um momento para simplificar.
Baterias fornecem eletricidade quando elétrons se movem através de uma solução ou “pasta” feita de materiais condutores e solventes por meio de uma reação química. O quão bem o sistema de bateria funciona depende dos materiais, o que inclui tanto a química quanto os processos de fabricação usados em sua criação.
Pense nisso como vários carros de corrida correndo em uma pista de corrida. Todos os carros de corrida têm volantes, pneus e motores, mas a estrutura de cada veículo e como ele é montado pode diferir de carro para carro. Então, só porque um carro com motor e volante está na pista não significa que ele tenha o mesmo desempenho que os outros veículos. O mesmo é verdade para os componentes críticos em baterias. Os detalhes importam em como você os monta.
Versões condutoras de negro de fumo (ou fuligem) são comumente usadas em baterias, bem como em um vasto número de dispositivos eletroquímicos. Eles são cristais nanométricos de carbono feitos de tal forma que se unem e formam agregados, ou aglomerados, que podem ser misturados com vários líquidos para formar uma pasta. Essa pasta é então usada para fundir, ou fazer, partes de uma bateria ou outros dispositivos.
“Nessa mistura, os elétrons podem se mover muito rápido dentro do negro de fumo, que é altamente condutor como um fio elétrico. Mas os elétrons têm que pular de um aglomerado de partículas de negro de fumo para outro porque o negro de fumo está suspenso na pasta — as partículas agregadas não estão conectadas como uma estrutura sólida”, explicou Wagner.
Os pesquisadores já haviam mostrado que a maneira como o material de negro de fumo flui — sua reologia — desempenha um papel fundamental no desempenho do material, usando técnicas de espalhamento de nêutrons no Centro de Pesquisa de Nêutrons do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia em Gaithersburg, Maryland, por meio do Centro de Ciência de Nêutrons da UD. Neste novo estudo, a equipe de pesquisa estendeu esse trabalho para criar um roteiro universal para entender como a condutividade da pasta fluida depende da química dos componentes dos quais ela é composta e — importante — como a pasta é processada.
Juntas, essas peças formam um projeto de como processar dispositivos de armazenamento de energia durante a fabricação. A promessa nesse tipo de roteiro é uma capacidade aprimorada de projetar materiais sistematicamente e prever o comportamento de dispositivos eletroquímicos no front end.
“O que estudamos nos permite começar a entender como a estrutura dessa pasta de negro de fumo, essa suspensão agregada, impacta a eficiência e o desempenho desses dispositivos”, disse Wagner. “Não estamos resolvendo o problema específico de bateria de ninguém. A esperança é que outros na prática possam aplicar nosso trabalho fundamental aos seus próprios sistemas e problemas eletroquímicos.”
Os pesquisadores esperam que este trabalho tenha um impacto nas janelas de formulação e processamento de métodos emergentes de armazenamento de energia eletroquímica e tecnologias de deionização de água.
Wagner deu o exemplo de dispositivos eletrolisadores que usam eletricidade para dividir a água em suas partes componentes de hidrogênio e oxigênio. Uma das partes mais desafiadoras desse processo é misturar e controlar as propriedades das soluções materiais que permitem que o eletrolisador faça seu trabalho e libere moléculas de hidrogênio para que possam ser usadas para outros propósitos, digamos, como um recurso energético. De acordo com Wagner, melhorias futuras em tais dispositivos dependerão do processamento.
“Você pode acertar a química, mas se não processá-la corretamente, não terá a performance que deseja”, disse Wagner.
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