.
Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory do Departamento de Energia foram os primeiros a usar a reflectometria de nêutrons para examinar o interior de uma bateria de estado sólido em funcionamento e monitorar sua eletroquímica. Eles descobriram que seu excelente desempenho resulta de uma camada extremamente fina, através da qual os átomos de lítio carregados fluem rapidamente à medida que se movem do ânodo para o cátodo e se misturam em um eletrólito sólido.
“Queremos baterias melhores”, disse Andrew Westover, do ORNL, que co-liderou um estudo publicado na Cartas de Energia ACS com James Browning na Spallation Neutron Source do laboratório. “Isso significa mais densidade de energia, menor custo, carregamento de bateria mais rápido e seguro e vida útil mais longa.”
As baterias recarregáveis dependem de lítio, um pequeno átomo de metal que se encaixa firmemente no ânodo carregado negativamente para maximizar a densidade de energia. No entanto, o lítio é instável com a maioria dos eletrólitos – um fator de inflamabilidade de smartphones, laptops e baterias de veículos elétricos que usam eletrólitos líquidos.
“Para corrigir o problema de inflamabilidade, queremos mudar para eletrólitos sólidos”, disse Westover.
Digite oxinitreto de fósforo e lítio, ou LiPON, um eletrólito sólido inventado no ORNL há quase 30 anos. “Nunca foi entendido por que funciona tão bem”, disse Westover. “Queremos fazer o que funciona com o LiPON funcionar em uma escala muito maior. Mas primeiro temos que entender.”
Trabalhos anteriores mostraram que a interfase de eletrólito sólido, ou SEI – uma camada que se forma para proteger e estabilizar a bateria de estado sólido – é a chave para sua capacidade de carregar e descarregar repetidamente. Nesse caso, a interfase é um gradiente químico que consiste em uma camada rica em lítio cujo teor de lítio diminui à medida que se mistura ao LiPON puro.
“Em uma bateria normal, uma interfase se forma entre o eletrólito e o eletrodo de trabalho”, disse Browning. “Com o tempo, à medida que você recicla uma bateria – carrega e descarrega – esse material pode mudar em composição e espessura.”
“Se você tem um SEI bom, sua bateria funciona. Se você tem um SEI ruim, não funciona”, disse Westover. “A razão pela qual a capacidade da bateria do seu telefone celular diminui lentamente ano após ano é porque seu SEI está se expandindo e consumindo seu eletrólito na bateria à base de líquido.”
Em uma bateria de estado sólido baseada em LiPON, no entanto, uma fina camada SEI se forma para passivar o lítio, tornando-o não reativo e não cresce como o SEI em uma bateria tradicional.
Os cientistas combinaram a reflectometria de nêutrons com a eletroquímica para medir essa interfase estável entre o LiPON e o lítio pela primeira vez. Era tão fino quanto 7 nanômetros. “Descobrimos com este estudo que a camada formada tem cerca de 70 átomos de espessura”, disse Westover. “Este trabalho mostra que é possível fazer interfaces em baterias de estado sólido que são finas e oferecem excelente desempenho.”
Essa pequena escala mais o estado sólido dos materiais levaram os pesquisadores a usar nêutrons para olhar dentro da bateria. “Antes da descoberta dos raios-X, você não podia olhar sob a pele para ver ossos dentro de um corpo. Você tinha que abrir a pele”, disse Westover. “Até agora, essa tem sido basicamente a abordagem que a maioria das pessoas usou para examinar as interfases nas baterias. Nesse caso, a escala é muito pequena para abrir qualquer coisa. Precisávamos de uma ferramenta que nos permitisse passar pelo material, sondar de forma não destrutiva nessa escala e entender o que está acontecendo na interfase. É aí que entra a reflectometria de nêutrons.”
Browning acrescentou: “Estamos interessados no desempenho de uma bateria, por isso precisamos de uma maneira de olhar para dentro enquanto ela está funcionando, operando em uma escala de comprimento que é importante para o funcionamento do dispositivo, para explorar a estabilidade, a longo prazo ciclabilidade, etc. Como os nêutrons estão interagindo fracamente, podemos levá-los ao ponto que queremos sondar sem qualquer interferência e, mais importante, retirá-los para que possamos determinar o que aconteceu no local de interesse – a interfase em este caso.”
O acoplamento da reflectometria de nêutrons com a eletroquímica acelerou a compreensão da interfase entre o lítio metálico e os eletrólitos sólidos em baterias de estado sólido.
“Essa combinação de técnicas abre as portas para que possamos observar todo o espectro de materiais eletrolíticos de estado sólido e determinar quais permitirão o carregamento rápido de baterias de alta energia”, disse Westover. “Já começamos a versão 2.0, onde estamos olhando para um tipo diferente de eletrólitos sólidos e começando a entender como eles se parecem.”
Ele acrescentou: “Novos materiais precisam ser inventados que tenham essa estabilidade”. O design de futuras baterias de alto desempenho dependerá disso.
O título do papel é “EUn Local Medição de interfaces eletrólito-eletrodo enterrados para baterias de estado sólido com precisão de nível nanométrico.”
O trabalho foi financiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE para o Escritório de Tecnologias de Veículos. Esta pesquisa utilizou recursos do SNS, uma instalação de usuários do DOE Office of Science operada pelo ORNL.
.
