Investigadores descobrem o código das baterias de estado sólido
Utilizando uma combinação de imagens avançadas e revestimentos ultra-finos, os investigadores estão a trabalhar para revolucionar o desempenho das baterias de estado sólido
Dos veículos eléctricos aos auscultadores sem fios, as baterias convencionais de iões de lítio alimentam o nosso quotidiano porque se carregam rapidamente e armazenam muita energia. No entanto, dependem de uma solução conhecida como eletrólito líquido, que pode incendiar-se se for danificada ou sobreaquecida.
Matthias Jung
University of Missouri
Os investigadores da Universidade do Missouri poderão ter encontrado uma solução. O Professor Assistente Matthias Young e a sua equipa descobriram como utilizar electrólitos sólidos em vez de líquidos ou géis para fabricar baterias de estado sólido que são mais seguras e mais eficientes em termos energéticos.
"Quando o eletrólito sólido entra em contacto com o cátodo, reage e forma uma camada intermédia com cerca de 100 nanómetros de espessura - 1000 vezes mais pequena do que um único fio de cabelo humano", afirmou Young, que tem um cargo conjunto na Faculdade de Engenharia e na Faculdade de Artes e Ciências da Mizzou. "Esta camada impede que os iões de lítio e os electrões se movam facilmente, o que aumenta a resistência e afecta o desempenho da bateria.
A compreensão deste problema nas baterias de estado sólido - e a forma de o ultrapassar - tem preocupado os cientistas há mais de uma década.
A equipa de Young resolveu o problema compreendendo melhor a causa principal.
Utilizando a microscopia eletrónica de transmissão e varrimento quadridimensional (4D STEM), os investigadores analisaram a estrutura atómica da bateria sem a desmontar - um avanço revolucionário neste domínio. Esta nova técnica permitiu-lhes obter uma compreensão fundamental das reacções químicas no interior da bateria, acabando por revelar que a camada intermédia era a culpada.
Uma solução possível
Desde os veículos eléctricos aos auscultadores sem fios, as baterias convencionais de iões de lítio alimentam o nosso quotidiano porque se carregam rapidamente e armazenam muita energia. No entanto, dependem de uma solução conhecida como eletrólito líquido, que pode incendiar-se se for danificada ou sobreaquecida.
Os investigadores da Universidade do Missouri poderão ter encontrado uma solução. O Professor Assistente Matthias Young e a sua equipa descobriram como utilizar electrólitos sólidos em vez de líquidos ou géis para fabricar baterias de estado sólido que são mais seguras e mais eficientes em termos energéticos.
"Quando o eletrólito sólido entra em contacto com o cátodo, reage e forma uma camada intermédia com cerca de 100 nanómetros de espessura - 1000 vezes mais pequena do que um único fio de cabelo humano", afirmou Young, que tem um cargo conjunto na Faculdade de Engenharia e na Faculdade de Artes e Ciências da Mizzou. "Esta camada impede que os iões de lítio e os electrões se movam facilmente, o que aumenta a resistência e afecta o desempenho da bateria.
A compreensão deste problema nas baterias de estado sólido - e a forma de o ultrapassar - tem preocupado os cientistas há mais de uma década.
A equipa de Young resolveu o problema compreendendo melhor a causa principal.
Utilizando a microscopia eletrónica de transmissão e varrimento quadridimensional (4D STEM), os investigadores analisaram a estrutura atómica da bateria sem a desmontar - um avanço revolucionário neste domínio. Esta nova técnica permitiu-lhes obter uma compreensão fundamental das reacções químicas no interior da bateria, acabando por revelar que a camada intermédia era a culpada.
Uma solução possível
O laboratório de Young é especializado em películas finas formadas por um processo de deposição em fase de vapor conhecido como deposição de camada molecular oxidativa (oMLD). Agora quer testar se os materiais de película fina do seu laboratório podem formar camadas protectoras que impeçam os materiais sólidos do eletrólito e do cátodo de reagirem uns com os outros.
"Os revestimentos têm de ser suficientemente finos para evitar reacções, mas não tão espessos que bloqueiem o fluxo de iões de lítio", afirmou. "Queremos preservar as propriedades de alto desempenho do eletrólito sólido e dos materiais do cátodo. O nosso objetivo é utilizar estes materiais em conjunto sem sacrificar o seu desempenho a favor da compatibilidade".
Esta abordagem à nanoescala cuidadosamente elaborada ajudará estes materiais a trabalharem em conjunto sem problemas - e aproximará as baterias de estado sólido da realidade.
"Understanding Cathode-Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM" foi publicado em Advanced Energy Materials. Os co-autores são Nikhila C. Paranamana, Andreas Werbrouck, Amit K. Datta e Xiaoqing He da Universidade de Mizzou.
O laboratório de Young é especializado em películas finas formadas por um processo de deposição de vapor conhecido como deposição de camada molecular oxidativa (oMLD). Agora quer testar se os materiais de película fina do seu laboratório podem formar camadas protectoras que impeçam os materiais sólidos do eletrólito e do cátodo de reagirem uns com os outros.
"Os revestimentos têm de ser suficientemente finos para evitar reacções, mas não tão espessos que bloqueiem o fluxo de iões de lítio", afirmou. "Queremos preservar as propriedades de alto desempenho do eletrólito sólido e dos materiais do cátodo. O nosso objetivo é utilizar estes materiais em conjunto sem sacrificar o seu desempenho a favor da compatibilidade".
Esta abordagem à nanoescala, cuidadosamente elaborada, ajudará estes materiais a trabalharem em conjunto sem problemas - e aproximará as baterias de estado sólido da realidade.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
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