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Para projetar melhores baterias de íons recarregáveis, engenheiros e químicos da Universidade de Illinois Urbana-Champaign colaboraram para combinar uma nova e poderosa técnica de microscopia eletrônica e mineração de dados para identificar visualmente áreas de alteração química e física nas baterias de íons.
Um estudo liderado pelos professores de ciência e engenharia de materiais Qian Chen e Jian-Min Zuo é o primeiro a mapear domínios alterados dentro de baterias de íons recarregáveis em nanoescala – um aumento de 10 vezes ou mais na resolução sobre os atuais raios-X e métodos ópticos .
As descobertas são publicadas na revista Materiais da Natureza.
A equipe disse que os esforços anteriores para entender os mecanismos de funcionamento e falha dos materiais das baterias se concentraram principalmente no efeito químico dos ciclos de recarga, ou seja, nas mudanças na composição química dos eletrodos da bateria.
Uma nova técnica de microscopia eletrônica, chamada de microscopia eletrônica de transmissão de varredura quadridimensional, permite que a equipe use uma sonda altamente focada para coletar imagens do funcionamento interno das baterias.
“Durante a operação de baterias de íons recarregáveis, os íons se difundem para dentro e para fora dos eletrodos, causando tensão mecânica e, às vezes, falhas de rachaduras”, disse o pesquisador de pós-doutorado e primeiro autor Wenxiang Chen. “Usando o novo método de microscopia eletrônica, podemos capturar pela primeira vez os domínios em nanoescala causados pela tensão dentro dos materiais da bateria”.
Qian Chen disse que esses tipos de transformações de heterogeneidade microestrutural foram amplamente estudados em cerâmica e metalurgia, mas não foram usados em materiais de armazenamento de energia até este estudo.
“O método 4D-STEM é fundamental para mapear variações inacessíveis de cristalinidade e orientações de domínio dentro dos materiais”, disse Zuo.
A equipe comparou suas observações 4D-STEM à modelagem computacional liderada pelo professor de ciências mecânicas e engenharia Elif Ertekin para identificar essas variações.
“Os dados combinados de mineração de dados e 4D-STEM mostram um padrão de processo de nucleação, crescimento e coalescência dentro das baterias à medida que os domínios em nanoescala se desenvolvem”, disse Qian Chen. “Esses padrões foram verificados usando dados de difração de raios-X coletados pelo professor de ciência e engenharia de materiais e coautor do estudo Daniel Shoemaker”.
Qian Chen planeja aprofundar essa pesquisa criando filmes desse processo – algo pelo qual seu laboratório é bem conhecido.
“O impacto desta pesquisa pode ir além do sistema de bateria de íons multivalente estudado aqui”, disse Paul Braun, professor de ciência e engenharia de materiais, diretor do Laboratório de Pesquisa de Materiais e coautor do estudo. “O conceito, os princípios e a estrutura de caracterização de habilitação se aplicam a eletrodos em uma variedade de baterias de íons de lítio e pós-íon de lítio e outros sistemas eletroquímicos, incluindo células de combustível, transistores sinápticos e eletrocrômicos”.
pesquisadores de Illinois Andrew Gewirth, de química; Hong Yang, de engenharia química e biomolecular; e o pesquisador da Shell, Ryan Stephens, também participaram deste estudo.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, News Bureau. Original escrito por Lois Yoksoulian. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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