Para além do mecanismo da roda de pás
Esclarecimento do transporte microscópico de iões de lítio em eletrólitos de estado sólido para baterias de próxima geração
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Um grupo de investigação colaborativo internacional liderado pelo professor Bong June Sung, do Departamento de Química da Universidade de Sogang, e pelo professor Shinji Saito, do Instituto de Ciência Molecular (IMS), Institutos Nacionais de Ciências Naturais (NINS) e da Universidade de Estudos Avançados (SOKENDAI), elucidou, a nível molecular, a forma como os iões de lítio se movem no interior dos cristais plásticos iónicos orgânicos (OIPCs) — que estão a suscitar interesse como eletrólitos sólidos para baterias de próxima geração.
Nos OIPCs, embora o material seja sólido, as moléculas e os iões no interior do cristal rodam ativamente in situ; consequentemente, o «mecanismo de roda de pás» — no qual este movimento rotacional empurra os iões de lítio para a frente — tem sido há muito considerado o principal mecanismo de condução iónica. Neste estudo, os investigadores reexaminaram teoricamente esta hipótese utilizando simulações de dinâmica molecular num supercomputador e análise da função de salto, que extrai com precisão os saltos individuais dos iões. Os resultados revelaram que o movimento dos iões de lítio não é impulsionado diretamente pelo movimento rotacional circundante, mas ocorre sim através do rearranjo cooperativo de uma gaiola iónica formada pelos aniões circundantes. Em particular, demonstrámos teoricamente que, quando o número de aniões que rodeiam um ião de lítio diminui temporariamente — fazendo com que a gaiola se «abra» —, o movimento do ião de lítio aumenta significativamente.
Muitas baterias de iões de lítio, amplamente utilizadas em smartphones e veículos elétricos, utilizam eletrólitos líquidos. No entanto, os eletrólitos líquidos são inflamáveis, e o risco de incêndio ou explosão continua a ser uma grande preocupação. Para resolver esta questão, estão em curso investigações para desenvolver eletrólitos sólidos altamente seguros como uma solução promissora.
Entre estes, os cristais plásticos iónicos orgânicos (OIPCs) estão a chamar a atenção como «sólidos macios» — materiais que, apesar de serem sólidos, permitem que as suas moléculas e iões internos girem ativamente in situ. Esse movimento molecular tem o potencial de facilitar a migração de iões no interior do sólido, e espera-se que os OIPCs sirvam como materiais que combinam segurança com elevada condutividade iônica.
Nas baterias de iões de lítio, o carregamento e a descarga ocorrem à medida que os iões de lítio se deslocam através do eletrólito no interior da bateria. Por conseguinte, no desenvolvimento de eletrólitos sólidos — incluindo os OIPCs —, compreender como e com que rapidez os iões de lítio se podem deslocar no interior do eletrólito é crucial para conceber materiais de baterias de próxima geração seguros e de alto desempenho.
A condução iónica nos OIPC tem sido explicada principalmente pelo «mecanismo da roda de pás». Neste mecanismo, acredita-se que o movimento rotacional das grandes moléculas e iões circundantes atua como as pás de uma roda de água, empurrando os iões de lítio para a sua próxima posição. No entanto, não se compreendia totalmente quando, onde e como os iões de lítio individuais se movem efetivamente.
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