Peças invisíveis de baterias finalmente vistas com uma técnica pioneira
Novo método revela pontos fracos críticos nos eléctrodos das baterias
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Investigadores da Universidade de Oxford desenvolveram um novo e poderoso método para visualizar um componente essencial dos eléctrodos das baterias de iões de lítio, que antes era extremamente difícil de localizar. A descoberta, publicada na revista Nature Communications, poderá conduzir a uma maior eficiência no fabrico dos eléctrodos das baterias e, em última análise, ajudar a melhorar a taxa de carregamento e o tempo de vida das baterias de iões de lítio.
Camadas nanoscópicas de carboximetilcelulose (CMC) e aglomerados de borracha de estireno-butadieno (SBR) em partículas de grafite detectadas com imagens de electrões retrodifundidos selectivos em energia (EsB) num ânodo de iões de lítio fabricado em laboratório após bromação. A diferença de estabilidade entre a SBR bromada e a CMC bromada durante a imagem de electrões permite distinguir ambos os aglutinantes individualmente na imagem EsB. A imagem EsB foi colorida para facilitar a distinção das diferentes fases do ligante.
Stanislaw Zankowski
O estudo centrou-se nos ligantes de polímeros modernos utilizados nos eléctrodos negativos das baterias de iões de lítio (ânodos). Estes aglutinantes desempenham um papel fundamental na manutenção dos eléctrodos das baterias, afectando a sua estabilidade mecânica, a condutividade eléctrica e iónica e o ciclo de vida. No entanto, como representam menos de 5% do peso do elétrodo e não têm caraterísticas distintas, a sua distribuição nos ânodos tem sido quase impossível de visualizar ou controlar. Este facto tem dificultado os esforços para melhorar o desempenho das baterias, uma vez que a colocação dos aglutinantes influencia diretamente a condutividade, a estabilidade e a durabilidade a longo prazo dos eléctrodos.
Para resolver este problema, os investigadores desenvolveram uma nova técnica de coloração, com patente pendente, que utiliza marcadores rastreáveis de prata e bromo para marcar ligantes comerciais derivados da celulose e do látex em ânodos à base de grafite e silício. Estes marcadores tornam os aglutinantes visíveis através da produção de raios X caraterísticos (medidos com espetroscopia de raios X dispersiva em energia) ou reflectindo electrões de alta energia da superfície da amostra (medidos com imagens de electrões retrodifundidos selectivos em energia). Quando detectados por um microscópio eletrónico, estes métodos fornecem informações precisas sobre a distribuição dos elementos e a topografia da superfície.
O autor principal, Dr. Stanislaw Zankowski (Departamento de Materiais, Universidade de Oxford), afirmou: "Esta técnica de coloração abre uma caixa de ferramentas inteiramente nova para compreender o modo como os ligantes modernos se comportam durante o fabrico de eléctrodos. Pela primeira vez, podemos ver com precisão a distribuição destes ligantes não só em geral (ou seja, a sua espessura ao longo do elétrodo), mas também localmente, como camadas e aglomerados de ligantes em nanoescala, e correlacioná-los com o desempenho do ânodo".
É importante notar que o método de imagiologia funciona não só em eléctrodos à base de grafite, mas também em materiais mais avançados, como o silício ou o SiOx, o que o torna aplicável em projectos de baterias da próxima geração.
Utilizando o método, a equipa descobriu que pequenas alterações na forma como os aglutinantes são distribuídos podem afetar drasticamente a eficiência com que uma bateria é carregada e a sua duração. Por exemplo, ao ajustar os protocolos de mistura e secagem da pasta, os investigadores reduziram a resistência iónica interna dos eléctrodos de teste em até 40% - um estrangulamento fundamental no carregamento rápido.
O estudo também captou camadas nanoscópicas evasivas do aglutinante carboximetilcelulose (CMC) que reveste as superfícies das partículas de grafite. A imagem proporcionou uma deteção sem paralelo de camadas de CMC com 10 nm de espessura, resolvendo tamanhos de caraterísticas em quatro ordens de magnitude em imagens únicas. Isto revelou como as camadas finas de CMC se fragmentam a partir de um revestimento inicialmente completo em manchas quebradas e não homogéneas durante o processamento do elétrodo, prejudicando potencialmente o desempenho e a estabilidade da bateria.
O coautor, Professor Patrick Grant (Departamento de Materiais, Universidade de Oxford), afirmou: "Este esforço multidisciplinar - que abrange a química, a microscopia eletrónica, os ensaios electroquímicos e a modelização - resultou numa abordagem inovadora da imagiologia que nos ajudará a compreender os principais processos de superfície que afectam a longevidade e o desempenho das pilhas. Isto irá impulsionar os avanços numa vasta gama de aplicações de baterias".
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 Inglês pode ser encontrado aqui.
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