Pela primeira vez, os pesquisadores observaram como os íons de lítio fluem pelas interfaces das baterias, o que poderia ajudar os engenheiros a otimizar o design dos materiais. Pesquisadores do MIT, da Universidade de Stanford, do SLAC National Accelerator e do Toyota Research Institute fizeram progressos inovadores na compreensão do fosfato de ferro-lítio, um importante material para baterias. Usando análise avançada de imagens de raios X, eles descobriram que as mudanças na eficiência do material estão relacionadas à espessura do revestimento de carbono. A descoberta pode melhorar o desempenho da bateria.

Uma equipe de pesquisadores do MIT, da Universidade de Stanford, do SLAC National Accelerator Laboratory e do Toyota Research Institute usou o aprendizado de máquina para reanalisar imagens de raios X de íons de lítio entrando e saindo das nanopartículas dos eletrodos da bateria (à esquerda) durante o ciclo da bateria. As cores falsas nesta imagem mostram o estado de carga de cada partícula e revelam os processos não homogêneos dentro das partículas individuais. Fonte da imagem: Cube3D

Ao extrair dados de imagens de raios X, pesquisadores do MIT, da Universidade de Stanford, do SLAC National Accelerator e do Toyota Research Institute fizeram novas descobertas significativas sobre a reatividade do fosfato de ferro-lítio, um material usado em baterias de carros elétricos e outras baterias recarregáveis.

A nova tecnologia revelou alguns fenômenos nunca antes vistos, incluindo mudanças na taxa de reações de intercalação de lítio em diferentes regiões de nanopartículas de fosfato de ferro-lítio.

A descoberta prática mais importante do artigo é que as mudanças nessas taxas de reação estão relacionadas a diferenças na espessura do revestimento de carbono na superfície das partículas, o que pode melhorar a eficiência de carga e descarga dessas baterias.

Ao extrair imagens de raios X, os pesquisadores do MIT fizeram uma nova descoberta importante sobre a reatividade do fosfato de ferro-lítio, um material usado em baterias de carros elétricos e outras baterias recarregáveis. Em cada par de partículas da figura, a partícula real está à esquerda e a partícula simulada pelos pesquisadores está à direita. Fonte da imagem: Fornecida por pesquisadores

Engenharia de interface

“O que aprendemos com este estudo é que é a interface que realmente controla a dinâmica da bateria, especialmente nas baterias modernas feitas de nanopartículas de materiais ativos”. Martin Bazant, autor sênior do estudo e E.G. Roos Professor de Engenharia Química e Professor de Matemática no MIT.

Este método de descobrir a física por trás de padrões complexos em imagens também poderia ser usado para investigar muitos outros materiais, incluindo não apenas outros tipos de baterias, mas também sistemas biológicos, como as células em divisão de um embrião em desenvolvimento.

“Acho que o mais interessante deste trabalho é que somos capazes de tirar imagens de um sistema que está formando um padrão e aprender os princípios que regem esse padrão”, disse Bazant.

pesquisa colaborativa

Dr. Hongbo Zhao, primeiro autor do novo estudo, era um estudante de pós-graduação no MIT e agora é pós-doutorado na Universidade de Princeton. Outros autores incluem Richard Bratz, professor Edwin R. Gilliland de Engenharia Química no MIT, William Chueh, professor associado de ciência e engenharia de materiais na Universidade de Stanford e diretor do SLAC-Stanford Battery Center, e Brian Storey, diretor sênior de energia e materiais no Toyota Research Institute.

"Até agora, conseguimos fazer lindos filmes de raios X de nanopartículas de bateria em funcionamento, mas medir e compreender os detalhes sutis de como elas funcionam era difícil porque os filmes eram muito informativos", disse Chueh. "Ao aprender imagens desses filmes em nanoescala, podemos obter insights que antes não estavam disponíveis."

Modelagem de taxa de reação

Os eletrodos da bateria de fosfato de ferro-lítio são compostos de muitas partículas minúsculas de fosfato de ferro-lítio cercadas por uma solução eletrolítica. Partículas típicas têm cerca de 1 mícron de diâmetro e cerca de 100 nanômetros de espessura. À medida que a bateria é descarregada, os íons de lítio fluem da solução eletrolítica para o material por meio de uma reação eletroquímica chamada intercalação iônica. Quando a bateria está carregada, a reação de intercalação é invertida e os íons fluem na direção oposta.

"O fosfato de ferro-lítio (LFP) é um material importante para baterias devido ao seu baixo custo, boas propriedades de segurança e uso de elementos abundantes", disse Storey. “Estamos vendo um uso crescente de fosfato de ferro-lítio no mercado de veículos elétricos, então o momento deste estudo não poderia ser melhor”.

Antes deste estudo, Bazant conduziu extensa modelagem teórica sobre os modos de formação de intercalação de íons de lítio. O fosfato de ferro-lítio prefere existir em uma das duas fases estáveis: cheia de íons de lítio ou vazia. Desde 2005, Bazant vem trabalhando em modelos matemáticos desse fenômeno, conhecido como separação de fases, que é impulsionado por reações de intercalação que produzem padrões únicos de fluxo de íons de lítio. Em 2015, durante um período sabático em Stanford, ele começou a trabalhar com Chueh para tentar interpretar imagens de partículas de fosfato de ferro-lítio por meio de microscopia de raios X por tunelamento.

Usando este microscópio, os pesquisadores podem obter imagens que mostram, pixel por pixel, a concentração de íons de lítio em cada ponto da partícula. Eles podem escanear a partícula várias vezes enquanto ela carrega ou descarrega, criando um filme de como os íons de lítio entram e saem da partícula.

Em 2017, Bazant e seus colegas do SLAC receberam financiamento do Toyota Research Institute para conduzir pesquisas adicionais usando esta abordagem, juntamente com outros projetos de pesquisa relacionados a baterias.

insights e descobertas

Ao analisar imagens de raios X de 63 partículas de fosfato de ferro-lítio enquanto carregavam e descarregavam, os pesquisadores descobriram que o movimento dos íons de lítio dentro do material era quase idêntico às simulações de computador anteriores criadas por Bazant. Os pesquisadores usaram todos os 180.000 pixels como dados de medição para treinar modelos computacionais para gerar equações que descrevem com precisão a termodinâmica de desequilíbrio e a cinética de reação dos materiais da bateria.

“Cada pequeno pixel dentro dele está saltando de cheio para vazio, de cheio para vazio. Estamos mapeando todo o processo, usando nossas equações para entender como isso acontece”, disse Bazant.

Os pesquisadores também descobriram que os padrões de fluxo de íons de lítio observados poderiam revelar variações espaciais na velocidade com que os íons de lítio são absorvidos em cada local da superfície da partícula.

"Realmente surpreendeu-nos poder olhar para as imagens para compreender as heterogeneidades no sistema - neste caso, mudanças nas taxas de reação da superfície. Algumas áreas pareciam reagir muito rapidamente, e algumas áreas pareciam reagir muito lentamente," disse Bazant.

Além disso, os pesquisadores descobriram que essas diferenças nas taxas de reação estavam relacionadas à espessura do revestimento de carbono na superfície das partículas de fosfato de ferro-lítio. O revestimento de carbono no fosfato de ferro-lítio ajuda a conduzir eletricidade - caso contrário, o material conduziria eletricidade muito lentamente para ser útil como bateria.

Em nanoescala, as mudanças na espessura do revestimento de carbono controlam diretamente a condutividade, algo que nunca teria sido descoberto sem essas modelagens e análises de imagens. As descobertas também fornecem suporte quantitativo para uma hipótese proposta por Bazant há vários anos: que o desempenho dos eletrodos de fosfato de ferro-lítio é limitado principalmente pela taxa de transferência acoplada de íon-elétron na interface entre as partículas sólidas e o revestimento de carbono, em vez da taxa de difusão de íons de lítio no sólido.

Otimize materiais

Os resultados deste estudo mostram que otimizar a espessura da camada de carbono na superfície do eletrodo pode ajudar os pesquisadores a projetar baterias que funcionem de forma mais eficiente, disseram os pesquisadores.

Este é o primeiro estudo capaz de vincular diretamente as propriedades do material da bateria às propriedades físicas do revestimento. O foco da otimização e projeto de baterias deve ser controlar a cinética da reação na interface do eletrólito e do eletrodo.

“A publicação deste artigo é o culminar de seis anos de trabalho árduo e colaboração”, disse Storey. "Essa tecnologia nos permite descobrir o funcionamento interno das baterias de uma forma que nunca foi possível antes. Nosso próximo objetivo é melhorar o design da bateria aplicando esse novo entendimento."

Além de usar este método analítico em outros materiais de bateria, Bazant prevê que ele pode ser usado para estudar a formação de padrões em outros sistemas químicos e biológicos.