Nanotecnologia agora – Comunicado de imprensa: Caminho até então desconhecido para baterias com alta energia, baixo custo e longa vida útil: Mecanismo de reação recém-descoberto supera rápido declínio de desempenho em baterias de lítio-enxofre

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Diferentes vias de reação do polissulfeto de lítio (Li₂S₆) ao sulfeto de lítio (Li₂S) em baterias de lítio-enxofre com (esquerda) e sem (direita) catalisador no cátodo de enxofre. CRÉDITO (Imagem do Laboratório Nacional Argonne.)

Abstrato:
Cientistas descobrem um caminho surpreendente para melhores baterias de lítio-enxofre, visualizando reações em escala atômica.

Caminho até então desconhecido para baterias com alta energia, baixo custo e longa vida útil: Mecanismo de reação recém-descoberto supera rápido declínio de desempenho em baterias de lítio-enxofre

Limão, IL | Postado em 8 de setembro de 2023

O caminho desde a inovação no laboratório até a tecnologia prática pode ser longo e acidentado. A bateria de lítio-enxofre é um exemplo. Possui vantagens notáveis ​​​​em relação às atuais baterias de íons de lítio que alimentam os veículos. Mas ainda não prejudicou o mercado, apesar do intenso desenvolvimento ao longo de muitos anos.

Essa situação pode mudar no futuro graças aos esforços dos cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE). Na última década, eles fizeram várias descobertas importantes relacionadas às baterias de lítio-enxofre. A sua mais recente revelação, publicada na Nature, revela um mecanismo de reação até então desconhecido que aborda uma grande deficiência: a vida útil muito curta das baterias.

Gui-Liang Xu, químico da divisão de Ciências Químicas e Engenharia da Argonne, afirmou que "Os esforços de nossa equipe podem levar os EUA um grande passo mais perto de um cenário de transporte mais verde e sustentável."

As baterias de lítio-enxofre oferecem três vantagens significativas em relação às atuais baterias de íon-lítio. Em primeiro lugar, podem armazenar duas a três vezes mais energia num determinado volume, resultando em maior autonomia do veículo. Em segundo lugar, o seu custo mais baixo, facilitado pela abundância e acessibilidade do enxofre, torna-os economicamente viáveis. Por último, estas baterias não dependem de recursos críticos como o cobalto e o níquel, que poderão enfrentar escassez no futuro.

Apesar desses benefícios, a transição do sucesso laboratorial para a viabilidade comercial tem se mostrado difícil. As células de laboratório têm mostrado resultados promissores, mas quando ampliadas para o tamanho comercial, seu desempenho diminui rapidamente com cargas e descargas repetidas.

A causa subjacente deste declínio de desempenho reside na dissolução do enxofre do cátodo durante a descarga, levando à formação de polissulfetos de lítio solúveis (Li2S6). Esses compostos fluem para o eletrodo negativo de metal de lítio (ânodo) durante o carregamento, agravando ainda mais o problema. Consequentemente, a perda de enxofre do cátodo e alterações na composição do ânodo prejudicam significativamente o desempenho da bateria durante a ciclagem.

Num estudo anterior recente, os cientistas da Argonne desenvolveram um material catalítico que, quando adicionado em pequena quantidade ao cátodo de enxofre, eliminou essencialmente o problema de perda de enxofre. Embora este catalisador tenha se mostrado promissor tanto em células de laboratório quanto em células de tamanho comercial, seu mecanismo de funcionamento em escala atômica permaneceu um enigma até agora.

A pesquisa mais recente da equipe esclareceu esse mecanismo. Na ausência do catalisador, os polissulfetos de lítio se formam na superfície do cátodo e passam por uma série de reações, convertendo finalmente o cátodo em sulfeto de lítio (Li2S).

“Mas a presença de uma pequena quantidade de catalisador no cátodo faz toda a diferença”, disse Xu. "Segue-se um caminho de reação muito diferente, livre de etapas de reação intermediárias."

A chave é a formação de bolhas densas em nanoescala de polissulfetos de lítio na superfície do cátodo, que não aparecem sem o catalisador. Esses polissulfetos de lítio se espalham rapidamente por toda a estrutura do cátodo durante a descarga e se transformam em sulfeto de lítio que consiste em cristalitos em nanoescala. Este processo evita a perda de enxofre e o declínio do desempenho em células de tamanho comercial.

Ao desbloquear esta caixa preta em torno do mecanismo de reação, os cientistas empregaram técnicas de caracterização de ponta. Análises da estrutura do catalisador com os intensos feixes de raios X síncrotron na linha de luz 20-BM da Advanced Photon Source, uma instalação do usuário do DOE Office of Science, revelaram que ele desempenha um papel crítico no caminho da reação. A estrutura do catalisador afeta a forma e a composição do produto final na descarga, bem como dos produtos intermediários. Com o catalisador, forma-se sulfeto de lítio nanocristalino após descarga total. Sem o catalisador, formam-se estruturas em forma de bastonete em microescala.

“Os esforços da nossa equipe poderiam aproximar os EUA de um cenário de transporte mais verde e sustentável.” — Gui-Liang Xu, químico da divisão de Ciências Químicas e Engenharia da Argonne

Outra técnica vital, desenvolvida na Universidade de Xiamen, permitiu à equipe visualizar a interface eletrodo-eletrólito em nanoescala enquanto uma célula de teste estava funcionando. Essa técnica recém-inventada ajudou a conectar as mudanças em nanoescala ao comportamento de uma célula em operação.

“Com base em nossa emocionante descoberta, faremos mais pesquisas para projetar cátodos de enxofre ainda melhores”, observou Xu. "Também valeria a pena explorar se este mecanismo se aplica a outras baterias de próxima geração, como o sódio-enxofre."

Com esta última inovação da equipe, o futuro das baterias de lítio-enxofre parece mais brilhante, oferecendo uma solução mais sustentável e ecológica para a indústria de transportes.

Um artigo sobre esta pesquisa apareceu na Nature. Além de Xu, os autores incluem Shiyuan Zhou, Jie Shi, Sangui Liu, Gen Li, Fei Pei, Youhu Chen, Junxian Deng, Qizheng Zheng, Jiayi Li, Chen Zhao, Inhui Hwang, Cheng-Jun Sun, Yuzi Liu, Yu Deng , Ling Huang, Yu Qiao, Jian-Feng Chen, Khalil Amine, Shi-Gang Sun e Hong-Gang Liao.

Outras instituições participantes incluem a Universidade de Xiamen, a Universidade de Tecnologia Química de Pequim e a Universidade de Nanjing. A pesquisa de Argonne foi apoiada pelo DOE Office of Vehicle Technologies no Office of Energy Efficiency and Renewable Energy.

Sobre a fonte avançada de fótons

A Fonte Avançada de Fótons (APS) do Departamento de Energia dos EUA no Laboratório Nacional de Argonne é uma das instalações de fonte de luz de raios-X mais produtivas do mundo. O APS fornece feixes de raios-X de alto brilho para uma comunidade diversificada de pesquisadores em ciência dos materiais, química, física da matéria condensada, ciências ambientais e da vida e pesquisa aplicada. Esses raios X são ideais para explorações de materiais e estruturas biológicas; distribuição elementar; estados químicos, magnéticos e eletrônicos; e uma ampla gama de sistemas de engenharia tecnologicamente importantes, de baterias a sprays para injetores de combustível, todos os quais são a base do bem-estar econômico, tecnológico e físico de nossa nação. A cada ano, mais de 5,000 pesquisadores usam o APS para produzir mais de 2,000 publicações detalhando descobertas impactantes e resolvendo mais estruturas de proteínas biológicas vitais do que os usuários de qualquer outra instalação de pesquisa de fonte de luz de raios-X. Os cientistas e engenheiros da APS inovam a tecnologia que está no centro do avanço das operações de aceleradores e fontes de luz. Isso inclui dispositivos de inserção que produzem raios-X de brilho extremo valorizados por pesquisadores, lentes que focam os raios-X em alguns nanômetros, instrumentação que maximiza a maneira como os raios-X interagem com as amostras sendo estudadas e software que reúne e gerencia a grande quantidade de dados resultantes da pesquisa de descoberta na APS.

Esta pesquisa usou recursos da Advanced Photon Source, uma facilidade do usuário do Departamento de Ciências dos EUA operada para o Departamento de Ciências do DOE pelo Laboratório Nacional de Argonne sob o Contrato Nº DE-AC02-06CH11357.

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Sobre o DOE/Laboratório Nacional de Argonne
O Laboratório Nacional Argonne busca soluções para os problemas nacionais urgentes em ciência e tecnologia. O primeiro laboratório nacional do país, Argonne conduz pesquisa científica básica e aplicada de ponta em praticamente todas as disciplinas científicas. Os pesquisadores da Argonne trabalham em estreita colaboração com pesquisadores de centenas de empresas, universidades e agências federais, estaduais e municipais para ajudá-los a resolver seus problemas específicos, promover a liderança científica da América e preparar a nação para um futuro melhor. Com funcionários de mais de 60 países, a Argonne é administrada pela UChicago Argonne, LLC para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos Estados Unidos.

O Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos Estados Unidos é o maior apoiador da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes de nosso tempo. Para mais informações visite https://​ener​gy​.gov/​s​c​ience.

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