NOTÍCIAS

Nanoflores de titanato de lítio (Laboratório Nacional de Brookhaven)

O princípio de funcionamento das baterias de lítio é que, durante o carregamento, os íons de lítio se movem entre o eletrodo positivo (cátodo) e o eletrodo negativo (ânodo); Durante a descarga, os íons de lítio se movem na direção oposta. Hoje em dia, as baterias de lítio usadas em smartphones, laptops e veículos elétricos normalmente usam ânodos de grafite. Durante o carregamento, os íons de lítio serão inseridos no ânodo de grafite; Ao usar a bateria, os íons de lítio serão removidos da bateria.

Embora o grafite possa suportar centenas ou mesmo milhares de ciclos de carga e descarga, ele não pode armazenar capacidade suficiente para aplicações intensivas em energia. Por exemplo, o alcance dos veículos elétricos não é longo o suficiente. Além disso, o grafite não pode carregar e descarregar em uma alta taxa (potência). Portanto, os cientistas têm buscado materiais alternativos para ânodos.

O titanato de lítio (LTO) é um material de ânodo promissor composto de lítio, titânio e oxigênio. Além de ser capaz de carregar e descarregar em altas taxas, o LTO também tem boa estabilidade de ciclo e espaço suficiente para acomodar íons de lítio (com grande capacidade). No entanto, a baixa condutividade do LTO pode levar a uma taxa de difusão lenta de íons de lítio no material.

De acordo com relatos da mídia estrangeira, Amy Marschilok, uma membro do corpo docente de meio período e professora associada de química no Departamento de Ciência de Materiais e Engenharia Química da Stony Brook University, declarou que a capacidade disponível de LTO puro é moderada, mas não pode transmitir eletricidade rapidamente. Amy Marschilok também atua como Diretora Adjunta do Centro de Propriedades de Transporte de Mesoescala, bem como Gerente da Divisão de Armazenamento de Energia e Cientista no Laboratório Nacional de Brookhaven, um departamento interdisciplinar do Departamento de Energia dos EUA. Ela também afirmou que materiais de bateria de alta velocidade são muito atraentes para aplicações como veículos elétricos, ferramentas elétricas portáteis e sistemas de energia de emergência que exigem armazenamento rápido de energia em poucos minutos.

Marschilok também é membro da equipe do Laboratório Nacional Brookhaven Stony Creek, que tem colaborado na pesquisa de LTO desde 2014. Em uma pesquisa recente, a equipe adicionou cloro ao LTO por meio de um processo de dopagem, aumentando assim sua capacidade em 12%.

Stanislaus Wong, um professor destacado no Departamento de Química da Universidade Shixi e um pesquisador importante na equipe de pesquisa estudantil, afirmou que os processos de dopagem controlados podem alterar as propriedades eletrônicas e estruturais dos materiais. Na minha equipe, estamos interessados em usar o conhecimento químico para orientar o design de correlações favoráveis de propriedade de estrutura. Em relação ao LTO, adicionar átomos dopados pode melhorar sua condutividade, expandir sua rede e ampliar o canal de transporte de íons de lítio. Os cientistas testaram muitos tipos diferentes de dopantes, mas não estudaram muito o cloro.

Para fabricar LTO dopado com cloro, a equipe usou um método de solução chamado síntese hidrotérmica. Durante o processo de síntese hidrotérmica, os cientistas adicionaram uma solução contendo o precursor relevante (o material de reação usado para produzir o produto desejado) à água, colocaram a mistura em um recipiente selado e a deixaram em uma temperatura e pressão relativamente moderadas por um período de tempo. Neste caso, para expandir a escala experimental, os cientistas escolheram precursores de titânio líquido em vez da folha de titânio sólido usada em reações anteriores. Após a síntese hidrotérmica de LTO puro e LTO dopado com cloro por 36 horas, os cientistas empregaram etapas adicionais de tratamento químico para separar os materiais necessários. A equipe também conduziu estudos de imagem usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) na instalação de microscopia eletrônica do Functional Nanomaterials Center (CFN) no Brookhaven National Laboratory e descobriu que ambas as amostras tinham nanoestruturas em forma de flor, indicando que o processo de tratamento químico não danificou a estrutura original dos materiais.

Wong afirmou que nosso novo método de síntese promove reações rápidas, uniformes e eficientes, permitindo a produção em larga escala dessas nanoflores 3D. Essa arquitetura única tem uma grande área de superfície, com pétalas irradiando para fora do centro, fornecendo múltiplos caminhos para íons de lítio entrarem no material.

Ao alterar as concentrações de cloro, lítio e precursores, a pureza dos precursores e o tempo de reação, os cientistas encontraram as condições ideais para criar nanomateriais de alto cristal. Os cientistas conduziram vários testes eletroquímicos usando amostras otimizadas e descobriram que quando a bateria foi descarregada em uma alta taxa por 30 minutos, o LTO dopado com cloro tinha uma grande capacidade disponível, e esse desempenho ainda era mantido após mais de 100 ciclos de carga e descarga.

Para entender por que o desempenho pode ser melhorado, a equipe usou a teoria computacional para modelar as mudanças estruturais e eletrônicas causadas pela dopagem de cloro. Ao calcular a estrutura geométrica mais estável do LTO dopado com cloro, a equipe descobriu que o cloro prefere substituir a posição do oxigênio na estrutura do LTO.

Em seguida, a equipe investigará como o formato das nanoflores 3D afeta o transporte de íons de lítio. Além disso, eles também estão explorando materiais alternativos para ânodos e cátodos de nível atômico para melhorar o transporte de íons de lítio.