Centenas de baterias ficam em enormes racks, piscando em vermelho e verde, e são testadas todos os dias no laboratório de Feng Lin. As luzes verde e vermelha significam que os canais de teste estão funcionando. Crédito: Foto cedida por Feng Lin
“Este estudo realmente esclarece como podemos projetar e fabricar eletrodos de bateria para obter um ciclo de vida longo para as baterias”, disse Feng Lin, professor associado de química da Virginia Tech.
Não te atinge imediatamente. Pode levar semanas para você perceber. Você tem as baterias AA de íon de lítio recém-recarregadas no bebedouro sem fio para gatinhos e elas duram dois dias. Eles duravam uma semana ou mais. Após outra rodada de carregamento, eles duram apenas um dia. Pronto, nada.
Você seria perdoado se ficasse lá e questionasse suas próprias ações. “Esperar, fez Eu recarrego isso?”
Relaxe, não é você. É a bateria. Nada dura para sempre, nem mesmo as supostas baterias recarregáveis de longa duração, sejam elas AA ou AAA compradas em uma loja ou as baterias dentro de nossos celulares, fones de ouvido sem fio ou carros. As baterias deterioram-se.
Feng Lin, professora associada do Departamento de Química, parte da Virginia Tech College of Science, faz parte de um novo estudo internacional multiagências/universitário publicado em 28 de abril de 2022, em Ciência que dá uma nova olhada por trás dos fatores que determinam a vida útil de uma bateria e como esses fatores realmente mudam ao longo do tempo em condições de carregamento rápido. No início, o estudo descobre que a deterioração da bateria parece ser impulsionada pelas propriedades das partículas individuais dos eletrodos, mas após várias dezenas de ciclos de carregamento, é como essas partículas são colocados juntos isso importa mais.
O professor associado Feng Lin, do Departamento de Química de Tecnologia da Virgínia, segura uma célula de bateria de bolsa em seu laboratório de testes de bateria em Davidson Hall. Crédito: Foto para Virginia Tech por Steven Mackay
“Este estudo realmente esclarece como podemos projetar e fabricar eletrodos de bateria para obter um ciclo de vida longo para as baterias”, disse Lin. Seu laboratório agora está trabalhando para reprojetar eletrodos de bateria com o objetivo de fabricar arquiteturas de eletrodos que forneçam recursos de carregamento rápido e sustentem uma vida útil mais longa por uma fração do custo atual, além de serem ecologicamente corretos.
“Quando a arquitetura do eletrodo permitir que cada partícula individual responda rapidamente aos sinais elétricos, teremos uma boa caixa de ferramentas para carregar as baterias rapidamente. Estamos empolgados em implementar o entendimento para baterias de carregamento rápido, de baixo custo e de próxima geração”, disse Lin.
O estudo, do qual Lin é co-autor sênior, está em colaboração com o Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia dos EUA, juntamente com a Universidade de Purdue e o Mecanismo Europeu de Radiação Síncrotron. Os pesquisadores de pós-doutorado do laboratório Lin, Zhengrui Xu e Dong Hou, também coautores do artigo, lideraram a fabricação de eletrodos, fabricação de baterias e medições de desempenho de baterias, além de auxiliarem em experimentos de raios-X e análise de dados.
Em primeiro plano, Callum Connor, estudante de graduação do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Virgínia, trabalha com produtos químicos altamente sensíveis usados na criação de baterias de íons de lítio. Seu trabalho requer luvas, depois longos braços emborrachados dentro de uma estação de trabalho selada cheia de argônio. Dentro do tanque, é necessário um terceiro par de luvas. Ao lado de Connor está o pesquisador de pós-doutorado do Departamento de Química Zhengrui Xu, que também é co-autor do artigo. Crédito: Foto para Virginia Tech por Natalee Waters
“Os blocos de construção fundamentais são essas partículas que compõem o eletrodo da bateria, mas quando você diminui o zoom, essas partículas interagem umas com as outras”, disse o cientista do SLAC Yijin Liu, pesquisador da Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) e autor sênior. No papel. Portanto, “se você deseja construir uma bateria melhor, precisa ver como juntar as partículas”.
Como parte do estudo, Lin, Liu e outros colegas usaram técnicas de visão computacional para estudar como as partículas individuais que compõem um eletrodo de bateria recarregável se separam ao longo do tempo. O objetivo desta vez era estudar não apenas partículas individuais, mas as maneiras como elas trabalham juntas para prolongar – ou degradar – a vida útil da bateria. O objetivo final natural: aprender novas maneiras de extrair um pouco mais de vida útil dos designs de bateria.
Como parte de sua pesquisa, a equipe estudou cátodos de bateria com raios-X. Eles usaram tomografia de raios X para reconstruir imagens 3D dos cátodos das baterias depois de terem passado por diferentes ciclos de carregamento. Eles então cortaram essas imagens 3D em uma série de fatias 2D e usaram métodos de visão computacional para identificar partículas. Além de Lin e Liu, o estudo incluiu Jizhou Li, bolsista de pós-doutorado SSLL; Keije Zhao, professor de engenharia mecânica de Purdue; e Nikhil Sharma, um estudante de pós-graduação de Purdue.
Os pesquisadores finalmente identificaram mais de 2.000 partículas individuais, para as quais calcularam não apenas características de partículas individuais, como tamanho, forma e rugosidade da superfície, mas também características como a frequência com que as partículas entraram em contato direto umas com as outras e a variedade de partículas. as formas eram.
Em seguida, eles analisaram como cada uma dessas propriedades contribuiu para a quebra das partículas, e um padrão impressionante surgiu. Após 10 ciclos de carregamento, os maiores fatores foram as propriedades das partículas individuais, incluindo o quão esféricas as partículas eram e a razão entre o volume das partículas e a área de superfície. Após 50 ciclos, no entanto, os atributos de pares e grupos – como a distância entre duas partículas, quão variadas eram suas formas e se as partículas mais alongadas em forma de bola de futebol eram orientadas de maneira semelhante – levaram à quebra das partículas.
“Não é mais apenas a partícula em si. São as interações partícula-partícula que importam”, disse Liu. “Isso é importante porque significa que os fabricantes podem desenvolver técnicas para controlar essas propriedades. Por exemplo, eles podem usar campos magnéticos ou elétricos para alinhar partículas alongadas umas com as outras, o que os novos resultados sugerem que resultaria em maior vida útil da bateria”.
Membro do Macromolecules Innovation Institute da Virginia Tech e membro do corpo docente afiliado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, parte da Virginia Tech College of Engineering, Lin acrescentou: funcionam de forma eficiente em condições de carga rápida e baixa temperatura.
“Além de projetar novos materiais que podem reduzir o custo da bateria usando matérias-primas mais baratas e abundantes, nosso laboratório também está trabalhando para entender o comportamento da bateria longe do equilíbrio”, disse Lin, “começamos a estudar materiais de bateria e sua resposta a esses condiçoes difíceis.”
Zhao, o professor de Purdue e coautor sênior, comparou o problema da degradação às pessoas que trabalham em grupos. “As partículas da bateria são como as pessoas – todos nós começamos seguindo nosso próprio caminho”, disse Zhao. “Mas, eventualmente, encontramos outras pessoas e acabamos em grupos, indo na mesma direção. Para entender a eficiência máxima, precisamos estudar o comportamento individual das partículas e como essas partículas se comportam em grupos.”
Referência: “Dinâmica da rede de partículas em cátodos compostos” por Jizhou Li, Nikhil Sharma, Zhisen Jiang, Yang Yang, Federico Monaco, Zhengrui Xu, Dong Hou, Daniel Ratner, Piero Pianetta, Peter Cloetens, Feng Lin, Kejie Zhao e Yijin Liu , 28 de abril de 2022, Ciência.
DOI: 10.1126/science.abm8962
A pesquisa foi financiada pelo Departamento de Energia dos EUA, pelo programa de pesquisa e desenvolvimento do SLAC National Accelerator Laboratory e pela National Science Foundation. O SSLL é uma instalação do usuário do Departamento de Energia do Escritório de Ciência.
Este artigo usa conteúdo originado por Nathan Collins, oficial de comunicação científica do SLAC National Accelerator Laboratory.
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