Novo microscópio desenvolvido para projetar melhores baterias de alto desempenho: a inovação oferece aos pesquisadores uma visão interna de como as baterias funcionam

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Como observa o professor Xiaonan Shan, o graduado da Universidade de Houston, Guangxia Feng, trabalha no microscópio de interferência de reflexão operando (RIM) dentro de uma “caixa de luvas” porque o eletrólito da bateria de íon-lítio é inflamável. CRÉDITO Universidade de Houston

Abstrato:
As baterias de íons de lítio transformaram a vida cotidiana – quase todo mundo tem um smartphone, mais veículos elétricos podem ser vistos nas estradas e mantêm os geradores de energia funcionando durante emergências. À medida que mais dispositivos eletrônicos portáteis, veículos elétricos e implementações de rede em larga escala ficam online, a demanda por baterias de densidade de energia mais alta, seguras e acessíveis continua a crescer.

Novo microscópio desenvolvido para projetar melhores baterias de alto desempenho: a inovação oferece aos pesquisadores uma visão interna de como as baterias funcionam

Houston, Texas | Postado em 10 de fevereiro de 2023

Agora, uma equipe de pesquisa da Universidade de Houston, em colaboração com pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory e do US Army Research Laboratory, desenvolveu um microscópio de interferência de reflexão operando (RIM) que fornece uma melhor compreensão de como as baterias funcionam, o que tem implicações significativas para a próxima geração de baterias.

“Conseguimos visualizar em tempo real a dinâmica da interfase eletrolítica sólida (SEI) pela primeira vez”, disse Xiaonan Shan, professor assistente de engenharia elétrica e de computação no Cullen College of Engineering da UH e autor correspondente de um estudo publicado na revista Nature. Nanotecnologia. “Isso fornece informações importantes sobre o design racional das interfases, um componente da bateria que tem sido a barreira menos compreendida e mais desafiadora para o desenvolvimento de eletrólitos para futuras baterias”.

O microscópio altamente sensível permite que os pesquisadores estudem a camada SEI, que é uma camada extremamente fina e frágil na superfície do eletrodo da bateria que determina o desempenho da bateria. Sua composição química e morfologia estão mudando continuamente - tornando-se um desafio para estudar.

“Uma ferramenta de imagem dinâmica, não invasiva e de alta sensibilidade é necessária para entender a formação e evolução do SEI. Essa técnica capaz de sondar diretamente o SEI tem sido rara e altamente desejável”, disse Yan Yao, professor de Hugh Roy e Lillie Cranz Cullen de engenharia elétrica e de computação e co-autor correspondente que trabalhou com Shan neste projeto para o últimos quatro anos.

“Agora demonstramos que a RIM é a primeira de seu tipo a fornecer informações críticas sobre o mecanismo de trabalho da camada SEI e ajudar a projetar melhores baterias de alto desempenho”, disse Yao, que também é o principal investigador do Texas Center for Superconductivity na Universidade de Houston.

Como Funciona

A equipe de pesquisa aplicou o princípio da microscopia de reflexão de interferência no projeto, onde o feixe de luz – centrado em 600 nanômetros com largura de espectro de cerca de 10 nanômetros – foi direcionado para os eletrodos e camadas SEI e refletido. A intensidade óptica coletada contém sinais de interferência entre diferentes camadas, trazendo informações importantes sobre o processo de evolução do SEI e permitindo que os pesquisadores observem todo o processo de reação.

“O RIM é muito sensível às variações de superfície, o que nos permite monitorar o mesmo local com alta resolução espacial e temporal em grande escala”, disse Guangxia Feng, estudante de pós-graduação da UH, que realizou grande parte do trabalho experimental no projeto.

Os pesquisadores observam que a maioria dos pesquisadores de baterias atualmente usa microscópios crioeletrônicos, que tiram apenas uma foto em um determinado momento e não podem rastrear continuamente as mudanças no mesmo local.

“Eu queria abordar a pesquisa de energia de um ângulo diferente, adaptando e desenvolvendo novos métodos de caracterização e imagem que fornecem novas informações para entender o mecanismo de reação em processos de conversão de energia”, disse Shan, que se especializou no desenvolvimento de técnicas de imagem e técnicas de espectrometria para estudar eletroquímica reações no armazenamento e conversão de energia. Essa nova técnica de imagem também pode ser aplicada a outros sistemas de armazenamento de energia de última geração.

Feng, que obteve um Ph.D. em engenharia elétrica pela UH em 2022, planeja prosseguir com pesquisas adicionais no crescente campo da tecnologia de baterias.

“Para realizar a próxima geração de baterias, é essencial entender os mecanismos de reação e os novos materiais”, disse ela, acrescentando que o desenvolvimento de baterias de maior energia também beneficia o meio ambiente. “Sempre quis ser cientista porque eles podem fazer grandes coisas acontecerem para as pessoas e mudar o mundo para melhor.”

Wu Xu, do Pacific Northwest National Lab, um especialista em projetos de eletrólitos, ajudou na concepção do projeto e forneceu informações críticas sobre o eletrólito a ser usado. Kang Xu, especialista em pesquisa SEI no Laboratório de Pesquisa do Exército, forneceu informações importantes para ajudar a entender o fenômeno observado. Ambos são co-autores correspondentes para o papel.

Feng e outro estudante de engenharia da UH, Yaping Shi, juntamente com Hao Jia, do PNNL, são os principais autores do estudo. Outros colaboradores são Xu Yan, Yanliang Liang, Chaojie Yang e Ye Zhang do UH; Mark Engelhard no PNNL.

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