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Descobertas fundamentais e novas técnicas podem levar a baterias recarregáveis melhores e mais seguras.
UCLApesquisadores fizeram uma descoberta inovadora que pode aumentar a segurança e a eficiência das baterias de lítio-metal.Ao prevenir a corrosão durante a deposição de lítio, os pesquisadores descobriram que os átomos de lítio formam uma forma única de 12 lados, reduzindo o risco de explosões.Essa inovação pode potencialmente revolucionar a tecnologia de bateria de lítio, levando a uma melhor segurança e desempenho.
As baterias recarregáveis de íons de lítio alimentam smartphones, veículos elétricos e armazenamento de energia solar e eólica, entre outras tecnologias.
Eles descendem de outra tecnologia, a bateria de lítio-metal, que não foi desenvolvida ou adotada tão amplamente.Há uma razão para isso: embora as baterias de lítio-metal tenham o potencial de reter cerca do dobro da energia que as baterias de íon-lítio, elas também apresentam um risco muito maior de pegar fogo ou até mesmo explodir.
Pesquisa revolucionária sobre baterias de lítio-metal
Agora, um estudo realizado por membros do California NanoSystems Institute da UCLA revela uma descoberta fundamental que pode levar a baterias de lítio-metal mais seguras que superam as atuais baterias de íon-lítio.A pesquisa foi publicada em 2 de agosto na revistaNatureza.
O lítio metálico reage tão facilmente com produtos químicos que, em condições normais, a corrosão se forma quase imediatamente enquanto o metal está sendo depositado em uma superfície como um eletrodo.Mas os investigadores da UCLA desenvolveram uma técnica que evita essa corrosão e mostraram que, na sua ausência, os átomos de lítio se juntam em uma forma surpreendente – o dodecaedro rômbico, uma figura de 12 lados semelhante aos dados usados em RPGs como Dungeons and Dragons. .
Compreendendo os aspectos estruturais das baterias de lítio-metal
“Existem milhares de artigos sobre lítio metálico, e a maioria das descrições da estrutura é qualitativa, como 'robusto' ou 'semelhante a uma coluna'”, disse Yuzhang Li, autor correspondente do estudo, professor assistente de engenharia química e biomolecular na a UCLA Samueli School of Engineering e membro do CNSI.“Foi surpreendente para nós descobrir que, ao evitar a corrosão da superfície, em vez dessas formas mal definidas, vimos um poliedro singular que corresponde a previsões teóricas baseadas na estrutura cristalina do metal.Por fim, este estudo nos permite revisar como entendemos as baterias de lítio-metal”.
Baterias contrastantes de íon-lítio e lítio-metal
Em escalas minúsculas, uma bateria de íons de lítio armazena átomos de lítio carregados positivamente em uma estrutura de carbono semelhante a uma gaiola que reveste um eletrodo.Por outro lado, uma bateria de lítio-metal reveste o eletrodo com lítio metálico.Isso embala 10 vezes mais lítio no mesmo espaço em comparação com as baterias de íon-lítio, o que representa o aumento no desempenho e no perigo.
O processo de aplicação do revestimento de lítio é baseado em uma técnica de mais de 200 anos que emprega eletricidade e soluções de sais chamados eletrólitos.Freqüentemente, o lítio forma filamentos ramificados microscópicos com pontas salientes.Em uma bateria, se dois desses picos se cruzarem, pode causar um curto-circuito que pode levar a uma explosão.
Implicações da descoberta na segurança e no desempenho da bateria
A revelação da verdadeira forma do lítio – isto é, na ausência de corrosão – sugere que o risco de explosão das baterias de lítio-metal pode ser diminuído, porque os átomos se acumulam de forma ordenada em vez de uma que pode se cruzar.A descoberta também pode ter implicações substanciais para a tecnologia de energia de alto desempenho.
“Cientistas e engenheiros produziram mais de duas décadas de pesquisa sobre a síntese de metais, incluindo ouro, platina e prata em formas como nanocubos, nanoesferas e nanobastões”, disse Li.“Agora que conhecemos a forma do lítio, a questão é: podemos ajustá-lo para que forme cubos, que podem ser compactados densamente para aumentar a segurança e o desempenho das baterias?”
Reimaginando o processo de deposição de lítio
Até agora, a visão predominante era que a escolha dos eletrólitos em solução determina a forma que o lítio forma em uma superfície – se a estrutura se assemelha a pedaços ou colunas.Os pesquisadores da UCLA tiveram uma ideia diferente.
“Queríamos ver se poderíamos depositar lítio tão rapidamente que superássemos a reação que causa o filme de corrosão”, disse o estudante de doutorado da UCLA Xintong Yuan, primeiro autor do estudo.“Dessa forma, poderíamos ver como o lítio quer crescer na ausência desse filme.”
Refinando a Técnica de Deposição de Lítio
Os pesquisadores desenvolveram uma nova técnica para depositar lítio mais rapidamente do que as formas de corrosão.Eles passaram a corrente através de um eletrodo muito menor para empurrar a eletricidade para fora mais rapidamente - da mesma forma que bloquear parcialmente o bico de uma mangueira de jardim faz com que a água saia com mais força.
Um equilíbrio era necessário, no entanto, porque acelerar demais o processo levaria às mesmas estruturas pontiagudas que causam curtos-circuitos;a equipe resolveu esse problema ajustando a forma de seu minúsculo eletrodo.
Eles colocaram lítio em superfícies usando quatro eletrólitos diferentes, comparando os resultados entre uma técnica padrão e seu novo método.Com a corrosão, o lítio formou quatro formas microscópicas distintas.No entanto, com seu processo livre de corrosão, eles descobriram que o lítio formava dodecaedros minúsculos – não maiores que 2 milionésimos de metro, ou aproximadamente o comprimento médio de uma única bactéria – em todos os quatro casos.
Desvendando a forma do lítio usando Cryo-EM
Os pesquisadores conseguiram ver a forma do lítio graças a uma técnica de imagem chamada microscopia crioeletrônica, ou crio-EM, que emite elétrons através de amostras congeladas para mostrar detalhes até o nível atômico enquanto inibe danos às amostras.
Cryo-EM tornou-se onipresente em biociências para determinar as estruturas de proteínas e vírus.O uso para ciência de materiais está crescendo e os pesquisadores da UCLA tiveram duas vantagens principais.
Primeiro, quando Li era um estudante de pós-graduação, ele demonstrou que o crio-EM pode ser usado para analisar o lítio, que se desfaz quando exposto a um feixe de elétrons à temperatura ambiente.(Seu estudo foi publicado em 2017 na revista Science.) Em segundo lugar, a equipe realizou experimentos no CNSI's Electron Imaging Center for Nanomachines, que abriga vários instrumentos crio-EM que foram personalizados para acomodar os tipos de amostras usadas na pesquisa de materiais. .