Berkeley Lab e equipe da FSU projetam baterias de última geração em nível atômico

Uma equipe do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) e Universidade Estadual da Flórida projetou um novo modelo para baterias de estado sólido que são menos dependentes de elementos químicos específicos, especialmente metais críticos que são difíceis de obter devido a problemas na cadeia de abastecimento. Seu trabalho, publicado recentemente na revista Ciência, poderia desenvolver baterias de estado sólido que sejam eficientes e acessíveis.

Elogiadas pela sua alta densidade energética e segurança superior, as baterias de estado sólido podem ser um divisor de águas para a indústria de carros elétricos. Mas desenvolver um que seja acessível e também condutor o suficiente para alimentar um carro por centenas de quilômetros com uma única carga tem sido um desafio a ser superado.

“Com nossa nova abordagem para baterias de estado sólido, você não precisa abrir mão do preço acessível em prol do desempenho.” — Yan Zeng, cientista da equipe do Berkeley Lab, Divisão de Ciências de Materiais

“Nosso trabalho é o primeiro a resolver este problema ao projetar um eletrólito sólido não com apenas um metal, mas com uma equipe de metais acessíveis”, disse o co-autor Yan Zeng, cientista da equipe da Divisão de Ciências de Materiais do Berkeley Lab.

Numa bateria de iões de lítio, o eletrólito funciona como um centro de transferência onde os iões de lítio se movem com carga elétrica para alimentar um dispositivo ou recarregar a bateria.

Como outras baterias, as baterias de estado sólido armazenam energia e depois a liberam para alimentar dispositivos. Mas, em vez de eletrólitos líquidos ou de gel polimérico encontrados nas baterias de íon-lítio, eles usam um eletrólito sólido.

O governo, a pesquisa e a academia investiram pesadamente na pesquisa e no desenvolvimento de baterias de estado sólido porque os eletrólitos líquidos projetados para muitas baterias comerciais são mais propensos a superaquecimento, incêndio e perda de carga.

No entanto, muitas das baterias de estado sólido construídas até agora baseiam-se em tipos específicos de metais que são caros e não estão disponíveis em grandes quantidades. Alguns nem são encontrados nos Estados Unidos.

Para o estudo atual, Zeng – junto com Bin Ouyang, professor assistente de química e bioquímica na Florida State University – e autor sênior Gerbrand Cedro, cientista sênior do corpo docente do Berkeley Lab e professor de ciência e engenharia de materiais da UC Berkeley, demonstrou um novo tipo de eletrólito sólido que consiste em uma mistura de vários elementos metálicos. Zeng e Ouyang desenvolveram a ideia deste trabalho pela primeira vez ao terminar sua pesquisa de pós-doutorado no Berkeley Lab e na UC Berkeley sob a supervisão de Ceder.

Os novos materiais poderiam resultar em um eletrólito sólido mais condutor e menos dependente de uma grande quantidade de um elemento individual.

Em experimentos no Berkeley Lab e na UC Berkeley, os pesquisadores demonstraram o novo eletrólito sólido sintetizando e testando vários materiais de íons de lítio e íons de sódio com vários metais mistos.

Eles observaram que os novos materiais multimetálicos tiveram desempenho melhor do que o esperado, exibindo uma condutividade iônica várias ordens de magnitude mais rápida do que os materiais monometálicos. A condutividade iônica é uma medida da rapidez com que os íons de lítio se movem para conduzir carga elétrica.

Os pesquisadores teorizam que a mistura de muitos tipos diferentes de metais cria novos caminhos – muito parecidos com a adição de vias expressas em uma rodovia congestionada – através dos quais os íons de lítio podem se mover rapidamente através do eletrólito. Sem essas vias, o movimento dos íons de lítio seria lento e limitado quando eles viajam através do eletrólito de uma extremidade à outra da bateria, explicou Zeng.

Para validar candidatos para o projeto multimetal, os pesquisadores realizaram cálculos teóricos avançados baseados em um método chamado teoria do funcional da densidade em supercomputadores no Centro de computação científica de pesquisa energética nacional (NERSC). Usando microscópios eletrônicos de transmissão de varredura (STEM) no Fundição Molecular, os pesquisadores confirmaram que cada eletrólito é feito de apenas um tipo de material — o que os cientistas chamam de “fase única” — com distorções incomuns dando origem a novas vias de transporte de íons em sua estrutura cristalina.

A descoberta permite novas oportunidades para projetar condutores iônicos de próxima geração. O próximo passo nesta pesquisa é aplicar a nova abordagem que Zeng desenvolveu com Ceder no Berkeley Lab para explorar e descobrir novos materiais eletrolíticos sólidos que podem melhorar ainda mais o desempenho da bateria.

Este trabalho representa uma das muitas maneiras pelas quais os especialistas da Centro de armazenamento de energia Berkeley Lab estão trabalhando para permitir a transição do país para um futuro energético limpo, acessível e resiliente.

No ano passado, Ouyang ganhou um Prêmio NERSC de Computação de Alto Desempenho para “avançar na compreensão da ordem química de curto alcance para projetar uma nova geração de materiais catódicos comercializados”. O prêmio reconhece cientistas em início de carreira que fizeram contribuições significativas para a computação científica usando recursos do NERSC.

Outros cientistas que contribuem para este trabalho são Young-Woon Byeon e Zijian Cai do Berkeley Lab, Jue Liu do Oak Ridge National Laboratory e Lincoln Miara e Yan Wang do Samsung Advanced Institute of Technology.

A Molecular Foundry e o NERSC são instalações de usuários do DOE Office of Science no Berkeley Lab.

Esta pesquisa foi apoiada pelo DOE Vehicle Technologies Office.

Cortesia Lawrence Berkeley National Laboratory.

Escritório de Ciência do DOE é o maior apoiador da pesquisa básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está trabalhando para enfrentar alguns dos desafios mais urgentes do nosso tempo. Para obter mais informações, visite energy.gov/science.

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• Fonte: https://cleantechnica.com/2023/02/24/berkeley-lab-fsu-team-designs-next-gen-batteries-at-atomic-level/