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A pesquisa de Argonne avança baterias de estado sólido
Um estudo publicado na ACS Materials Letters por pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) examinou eletrólitos sólidos para baterias de estado sólido.Os resultados contribuem para o desenvolvimento de tecnologias de bateria mais seguras e com eficiência energética.
As baterias de íons de lítio alimentam uma variedade de dispositivos, incluindo telefones celulares, laptops e veículos elétricos.Dado seu uso generalizado, os pesquisadores continuam a explorar maneiras de aumentar a segurança e a eficiência da bateria.
Os eletrólitos atuam como membranas que facilitam o transporte de íons de lítio entre os eletrodos positivos e negativos de uma bateria.Ao contrário das baterias convencionais de íons de lítio, que usam eletrólitos líquidos, as baterias de estado sólido empregam eletrólitos sólidos.Esses materiais oferecem maior densidade de energia, vida útil mais longa e segurança aprimorada, pois não são voláteis nem inflamáveis.
Os eletrólitos sólidos também são menos reativos com o metal de lítio, tornando -os mais adequados para eletrodos de metal de lítio em comparação com eletrólitos líquidos.O metal de lítio tem uma densidade de energia mais alta que a grafite, um material de eletrodo convencional, porque todos os seus átomos participam dos ciclos de carga e descarga.
Garnet de zircônio de lítio Lanthanum (LLZO) é um eletrólito sólido promissor devido à sua estabilidade, durabilidade e alta condutividade iônica, o que permite o transporte eficiente de íons de lítio entre os eletrodos.Os pesquisadores exploraram o doping llzo com elementos como alumínio ou gálio para aumentar sua condutividade.O doping envolve a introdução de pequenas quantidades de outro elemento para modificar as propriedades do material.
Doping com alumínio ou gálio ajuda a LLZO a manter sua estrutura mais simétrica e a introduzir locais vagos que facilitam o movimento de íons de lítio, melhorando a condutividade.No entanto, o doping também pode aumentar a reatividade da LLZO com metal de lítio, o que pode reduzir a vida útil do ciclo da bateria.
Para entender essa troca, os pesquisadores examinaram a interação entre LLZO dopado e lítio metálico usando métodos computacionais e experimentais.Eles descobriram que o gálio é mais móvel e forma prontamente uma liga com lítio, levando ao seu esgotamento da LLZO.Esse esgotamento altera a estrutura do granada de lítio e reduz sua condutividade iônica.Por outro lado, o LLZO dopado com alumínio permanece mais estável.
O LLZO dopado com gálio oferece maior condutividade iônica do que o LLZO dopado com alumínio, mas sua reatividade com lítio sugere que uma camada interfacial é necessária para manter a condutividade e impedir a degradação.
Esses achados fornecem informações sobre como diferentes dopantes influenciam o desempenho e a estabilidade da LLZO, informando o desenvolvimento de baterias de estado sólido mais confiáveis.
Ao integrar abordagens computacionais e experimentais, os pesquisadores mediram as principais propriedades dos materiais dopados, obtendo insights no nível atômico das interações entre metal de lítio e eletrólitos sólidos.
Usando a teoria funcional da densidade, um método computacional para modelar o comportamento atômico e eletrônico em materiais, eles previram a estabilidade dopante e suas interações com outros componentes.
Poucas técnicas experimentais permitem o exame direto da interface sólida eletrólito-eletrodo, particularmente durante as reações eletroquímicas na operação da bateria.Tepavcevic observou que essas interfaces estão "enterradas" e não são facilmente acessíveis com métodos experimentais convencionais.
Para analisar as mudanças de química da superfície no LLZO, os pesquisadores usaram espectroscopia de fotoelétrons de raios-X.A espectroscopia de impedância eletroquímica foi usada para estudar a mobilidade de íons de lítio dentro do eletrólito e na interface eletrolítica-eletrodo.
A difração de nêutrons, outra técnica experimental, foi usada para determinar os arranjos atômicos no material.Esse método confirmou que o gálio se tornou menos estável e mais reativo ao interagir com o lítio, enquanto o alumínio permaneceu estável.
O estudo se beneficiou de colaborações com instituições como a Universidade da Califórnia, Santa Barbara, que forneceu amostras de alta qualidade.Experimentos de difração de nêutrons foram realizados no Instituto de Física Nuclear da Academia Tcheca de Ciências na República Tcheca e na Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, na Alemanha.
Zapol acrescentou: “O papel da colaboração americana-alemã foi absolutamente crítico para este trabalho.Olhando para o futuro, essas descobertas abrem novas avenidas na busca internacional de baterias de estado sólido mais seguras e eficientes. ”
O estudo foi apoiado pela cooperação americana-alemã em armazenamento de energia, estabelecido pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE para o Escritório de Tecnologias de Veículos para facilitar a pesquisa colaborativa sobre baterias de lítio.
Os colaboradores de Argonne incluem Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Countihan e Matthew Klenk, junto com Tepavcevic e Zapol.Contribuições adicionais foram feitas por Jeff Sakamoto, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara;Charles Hervoches, do Instituto de Física Nuclear da Academia Tcheca de Ciências;e Neelima Paul e Ralph Gilles do Heinz Maier-Leibnitz Zentrum.
As baterias de íons de lítio alimentam uma variedade de dispositivos, incluindo telefones celulares, laptops e veículos elétricos.Dado seu uso generalizado, os pesquisadores continuam a explorar maneiras de aumentar a segurança e a eficiência da bateria.
Os eletrólitos atuam como membranas que facilitam o transporte de íons de lítio entre os eletrodos positivos e negativos de uma bateria.Ao contrário das baterias convencionais de íons de lítio, que usam eletrólitos líquidos, as baterias de estado sólido empregam eletrólitos sólidos.Esses materiais oferecem maior densidade de energia, vida útil mais longa e segurança aprimorada, pois não são voláteis nem inflamáveis.
Os eletrólitos sólidos também são menos reativos com o metal de lítio, tornando -os mais adequados para eletrodos de metal de lítio em comparação com eletrólitos líquidos.O metal de lítio tem uma densidade de energia mais alta que a grafite, um material de eletrodo convencional, porque todos os seus átomos participam dos ciclos de carga e descarga.
Garnet de zircônio de lítio Lanthanum (LLZO) é um eletrólito sólido promissor devido à sua estabilidade, durabilidade e alta condutividade iônica, o que permite o transporte eficiente de íons de lítio entre os eletrodos.Os pesquisadores exploraram o doping llzo com elementos como alumínio ou gálio para aumentar sua condutividade.O doping envolve a introdução de pequenas quantidades de outro elemento para modificar as propriedades do material.
Doping com alumínio ou gálio ajuda a LLZO a manter sua estrutura mais simétrica e a introduzir locais vagos que facilitam o movimento de íons de lítio, melhorando a condutividade.No entanto, o doping também pode aumentar a reatividade da LLZO com metal de lítio, o que pode reduzir a vida útil do ciclo da bateria.
Para entender essa troca, os pesquisadores examinaram a interação entre LLZO dopado e lítio metálico usando métodos computacionais e experimentais.Eles descobriram que o gálio é mais móvel e forma prontamente uma liga com lítio, levando ao seu esgotamento da LLZO.Esse esgotamento altera a estrutura do granada de lítio e reduz sua condutividade iônica.Por outro lado, o LLZO dopado com alumínio permanece mais estável.
O LLZO dopado com gálio oferece maior condutividade iônica do que o LLZO dopado com alumínio, mas sua reatividade com lítio sugere que uma camada interfacial é necessária para manter a condutividade e impedir a degradação.
Esses achados fornecem informações sobre como diferentes dopantes influenciam o desempenho e a estabilidade da LLZO, informando o desenvolvimento de baterias de estado sólido mais confiáveis.
Ao integrar abordagens computacionais e experimentais, os pesquisadores mediram as principais propriedades dos materiais dopados, obtendo insights no nível atômico das interações entre metal de lítio e eletrólitos sólidos.
Usando a teoria funcional da densidade, um método computacional para modelar o comportamento atômico e eletrônico em materiais, eles previram a estabilidade dopante e suas interações com outros componentes.
Poucas técnicas experimentais permitem o exame direto da interface sólida eletrólito-eletrodo, particularmente durante as reações eletroquímicas na operação da bateria.Tepavcevic observou que essas interfaces estão "enterradas" e não são facilmente acessíveis com métodos experimentais convencionais.
Para analisar as mudanças de química da superfície no LLZO, os pesquisadores usaram espectroscopia de fotoelétrons de raios-X.A espectroscopia de impedância eletroquímica foi usada para estudar a mobilidade de íons de lítio dentro do eletrólito e na interface eletrolítica-eletrodo.
A difração de nêutrons, outra técnica experimental, foi usada para determinar os arranjos atômicos no material.Esse método confirmou que o gálio se tornou menos estável e mais reativo ao interagir com o lítio, enquanto o alumínio permaneceu estável.
O estudo se beneficiou de colaborações com instituições como a Universidade da Califórnia, Santa Barbara, que forneceu amostras de alta qualidade.Experimentos de difração de nêutrons foram realizados no Instituto de Física Nuclear da Academia Tcheca de Ciências na República Tcheca e na Heinz Maier-Leibnitz Zentrum, na Alemanha.
Zapol acrescentou: “O papel da colaboração americana-alemã foi absolutamente crítico para este trabalho.Olhando para o futuro, essas descobertas abrem novas avenidas na busca internacional de baterias de estado sólido mais seguras e eficientes. ”
O estudo foi apoiado pela cooperação americana-alemã em armazenamento de energia, estabelecido pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE para o Escritório de Tecnologias de Veículos para facilitar a pesquisa colaborativa sobre baterias de lítio.
Os colaboradores de Argonne incluem Yisi Zhu, Justin Connell, Zachary Hood, Michael Countihan e Matthew Klenk, junto com Tepavcevic e Zapol.Contribuições adicionais foram feitas por Jeff Sakamoto, da Universidade da Califórnia, Santa Barbara;Charles Hervoches, do Instituto de Física Nuclear da Academia Tcheca de Ciências;e Neelima Paul e Ralph Gilles do Heinz Maier-Leibnitz Zentrum.