Tecnologias de armazenamento de energia limpas e eficientes são essenciais para estabelecer uma infra-estrutura de energia renovável.As baterias de íons de lítio já são dominantes em dispositivos eletrônicos pessoais e são candidatas promissoras para armazenamento confiável em nível de rede e veículos elétricos.No entanto, é necessário um maior desenvolvimento para melhorar as taxas de carregamento e a vida útil.
Para ajudar no desenvolvimento de baterias com carregamento mais rápido e maior durabilidade, os cientistas precisam ser capazes de compreender os processos que ocorrem dentro de uma bateria em funcionamento, para identificar as limitações no desempenho da bateria.Atualmente, a visualização dos materiais ativos da bateria enquanto eles funcionam requer técnicas sofisticadas de raios X síncrotron ou microscopia eletrônica, que podem ser difíceis e caras, e muitas vezes não conseguem obter imagens com rapidez suficiente para capturar as mudanças rápidas que ocorrem nos materiais dos eletrodos de carregamento rápido.Como resultado, a dinâmica iônica na escala de comprimento de partículas ativas individuais e em taxas de carregamento rápido comercialmente relevantes permanece em grande parte inexplorada.
Pesquisadores da Universidade de Cambridge superaram esse problema desenvolvendo uma técnica de microscopia óptica baseada em laboratório de baixo custo para estudar baterias de íon-lítio.Eles examinaram partículas individuais de Nb14W3O44, que está entre os materiais anódicos de carregamento mais rápido até o momento.A luz visível é enviada para a bateria através de uma pequena janela de vidro, permitindo aos pesquisadores observar o processo dinâmico dentro das partículas ativas, em tempo real, sob condições realistas de desequilíbrio.Isso revelou gradientes de concentração de lítio semelhantes a frente movendo-se através das partículas ativas individuais, resultando em tensão interna que causou a fratura de algumas partículas.A fratura de partículas é um problema para baterias, pois pode levar à desconexão elétrica dos fragmentos, reduzindo a capacidade de armazenamento da bateria.“Tais eventos espontâneos têm implicações graves para a bateria, mas nunca puderam ser observados em tempo real até agora”, diz o co-autor Dr. Christoph Schnedermann, do Laboratório Cavendish de Cambridge.
As capacidades de alto rendimento da técnica de microscopia óptica permitiram aos pesquisadores analisar uma grande população de partículas, revelando que a quebra de partículas é mais comum com taxas mais altas de delitificação e em partículas mais longas.“Essas descobertas fornecem princípios de design diretamente aplicáveis para reduzir a fratura de partículas e o desbotamento da capacidade nesta classe de materiais”, diz a primeira autora Alice Merryweather, candidata a doutorado no Laboratório Cavendish e Departamento de Química de Cambridge.
No futuro, as principais vantagens da metodologia – incluindo a rápida aquisição de dados, resolução de partícula única e capacidades de alto rendimento – permitirão uma exploração mais aprofundada do que acontece quando as baterias falham e como evitá-lo.A técnica pode ser aplicada para estudar quase qualquer tipo de material de bateria, tornando-se uma peça importante do quebra-cabeça no desenvolvimento de baterias de próxima geração.
Horário da postagem: 17 de setembro de 2022