A verdadeira forma do lítio revelada pela primeira vez na pesquisa da UCLA

Baterias recarregáveis ​​de íons de lítio alimentam smartphones, veículos elétricos e armazenamento de energia solar e eólica, entre outras tecnologias.

Eles descendem de outra tecnologia, a bateria de metal de lítio, que não foi desenvolvida ou adotada de forma tão ampla. Há uma razão para isso: embora as baterias de metal-lítio tenham o potencial de reter cerca do dobro da energia que as baterias de íon-lítio conseguem, elas também apresentam um risco muito maior de pegar fogo ou até mesmo explodir.

Agora, um estudo realizado por membros do California NanoSystems Institute da UCLA revela uma descoberta fundamental que pode levar a baterias de metal de lítio mais seguras, com desempenho superior às atuais baterias de íons de lítio.A pesquisa foi publicadana revista Natureza.

O lítio metálico reage tão facilmente com produtos químicos que, em condições normais, a corrosão se forma quase imediatamente enquanto o metal é depositado em uma superfície como um eletrodo. Mas os investigadores da UCLA desenvolveram uma técnica que evita essa corrosão e mostraram que, na sua ausência, os átomos de lítio adquirem uma forma surpreendente – o dodecaedro rômbico, uma figura de 12 lados semelhante aos dados usados ​​em jogos de RPG como Dungeons and Dragons. .

“Existem milhares de artigos sobre o metal lítio, e a maioria das descrições da estrutura é qualitativa, como 'robusta' ou 'semelhante a uma coluna'”, disse Yuzhang Li, autor correspondente do estudo, professor assistente de engenharia química e biomolecular na a Escola de Engenharia UCLA Samueli e membro do CNSI. “Foi surpreendente para nós descobrir que quando evitamos a corrosão superficial, em vez dessas formas mal definidas, vimos um poliedro singular que corresponde às previsões teóricas baseadas na estrutura cristalina do metal. Em última análise, este estudo permite-nos rever a forma como entendemos as baterias de metal de lítio.”

Em escalas minúsculas, uma bateria de íons de lítio armazena átomos de lítio carregados positivamente em uma estrutura de carbono semelhante a uma gaiola que reveste um eletrodo. Por outro lado, uma bateria de metal de lítio reveste o eletrodo com lítio metálico. Isso contém 10 vezes mais lítio no mesmo espaço em comparação com as baterias de íon-lítio, o que é responsável pelo aumento no desempenho e no perigo.

O processo de aplicação do revestimento de lítio é baseado em uma técnica com mais de 200 anos que emprega eletricidade e soluções de sais chamados eletrólitos. Freqüentemente, o lítio forma filamentos ramificados microscópicos com pontas salientes. Numa bateria, se dois desses picos se cruzarem, pode causar um curto-circuito que pode levar a uma explosão.

A revelação da verdadeira forma do lítio – isto é, na ausência de corrosão – sugere que o risco de explosão das baterias de metal-lítio pode ser reduzido, porque os átomos acumulam-se de uma forma ordenada, em vez de uma forma que pode cruzar-se. A descoberta também pode ter implicações substanciais para a tecnologia energética de alto desempenho.

“Cientistas e engenheiros produziram mais de duas décadas de pesquisas sobre a síntese de metais, incluindo ouro, platina e prata, em formatos como nanocubos, nanosferas e nanobastões”, disse Li. “Agora que conhecemos a forma do lítio, a questão é: podemos ajustá-lo para formar cubos, que podem ser compactados densamente para aumentar a segurança e o desempenho das baterias?”

Até agora, a visão predominante era que a escolha dos eletrólitos em solução determina a forma que o lítio forma numa superfície – se a estrutura se assemelha a pedaços ou colunas. Os pesquisadores da UCLA tiveram uma ideia diferente.

“Queríamos ver se poderíamos depositar lítio tão rapidamente que superássemos a reação que causa o filme de corrosão”, disse o estudante de doutorado da UCLA, Xintong Yuan, o primeiro autor do estudo. “Dessa forma, poderíamos ver como o lítio quer crescer na ausência desse filme.”

Os pesquisadores desenvolveram uma nova técnica para depositar lítio mais rapidamente do que as formas de corrosão. Eles passaram a corrente através de um eletrodo muito menor para expulsar a eletricidade mais rapidamente – da mesma forma que o bloqueio parcial do bico de uma mangueira de jardim faz com que a água seja expelida com mais força.