Liderando o ataque: Novas pesquisas abrem caminho para a energia

Tecnologia científica

Desde a década de 1940, os cientistas têm explorado o uso de óxido de nióbio, especificamente uma forma de óxido de nióbio conhecida como T-Nb2O5, para criar baterias mais eficientes. Este material único é conhecido por sua capacidade de permitir que os íons de lítio, as minúsculas partículas carregadas que fazem as baterias funcionarem, se movam rapidamente dentro dele. Quanto mais rápido esses íons de lítio puderem se mover, mais rápido a bateria poderá ser carregada.

O desafio, no entanto, sempre foi transformar esse material de óxido de nióbio em camadas finas e planas, ou “filmes”, que sejam de qualidade alta o suficiente para serem usados ​​em aplicações práticas. Este problema decorre da estrutura complexa do T-Nb2O5 e da existência de muitas formas semelhantes, ou polimorfos, de óxido de nióbio.

Em um artigo publicado na Nature Materials, membros do grupo de pesquisa de Andrew Rappe na Universidade da Pensilvânia colaboraram com pesquisadores do Instituto Max Planck e da Universidade de Cambridge e demonstraram com sucesso o crescimento de camadas monocristalinas de alta qualidade de T-Nb2O5, alinhados de uma forma que permite que os íons de lítio se movam significativamente mais rápido.

“Essa mudança dramática permite uma série de aplicações potenciais, desde carregamento de bateria em alta velocidade até computação com eficiência energética e muito mais”, diz Rappe.

“Nossas modalidades convencionais de armazenamento de lítio em cátodos geralmente dependem de um processo de recristalização que tende a interferir na estrutura, como os que vemos nas baterias atuais”, diz o coautor Zhen Jiang, ex-pesquisador de pós-doutorado no Grupo Rappe.

Aaron Schankler, um estudante de pós-graduação na Escola de Artes e Ciências, acrescenta: “O que a equipe de Max Planck e da Universidade de Cambridge fizeram foi encontrar uma maneira de mover os íons de lítio de uma forma que não perturbasse a estrutura cristalina. do nosso filme fino T-Nb2O5 e ajudamos a racionalizar por que os íons podem entrar e sair de forma rápida e reversível.”

Rappe compara o T-Nb2O5 a uma estrutura de estacionamento multinível em que os íons de lítio são carros e a estrutura do T-Nb2O5 forma canais abertos, ou rampas, que permitem que os carros subam e desçam entre os níveis.

“Ao fazer crescer o T-Nb2O5 de modo que esses canais corressem verticalmente, ou 'para cima e para baixo', nossa equipe tornou possível que os íons de lítio se movessem significativamente mais rápido, permitindo assim mudanças rápidas e colossais nas propriedades elétricas de filmes finos, inserindo os íons de lítio entre os átomos no terminal negativo do nosso sistema”, diz o primeiro autor Hyeon Han, do Instituto Max Planck.

Rappe observa que os pesquisadores da Universidade de Cambridge trabalharam em estreita colaboração com sua equipe e descobriram múltiplas transições até então desconhecidas na estrutura do material à medida que a concentração de íons de lítio mudava.

Essas transições alteram as propriedades eletrônicas do material, permitindo que ele passe de isolante a metal, o que significa que passa de bloqueador de corrente elétrica a condutor. Esta é uma mudança dramática; a resistividade do material diminui por um fator de 100 bilhões.

A equipe da Penn desenvolveu o trabalho computacional na teorização das condições necessárias para dar origem à estabilidade das transições por meio de cálculos da teoria do funcional da densidade, um método da mecânica quântica usado para investigar a estrutura eletrônica de sistemas de muitos corpos, especialmente átomos, moléculas e o fases condensadas. Rappe afirma que com esse método a equipe poderia calcular e prever o comportamento do material sob diferentes condições.

Ele diz que os cálculos teóricos ajudaram a racionalizar as múltiplas transições de fase que observaram, bem como a forma como estas fases podem estar relacionadas com a concentração de iões de lítio e a sua disposição dentro da estrutura cristalina. Esse entendimento, por sua vez, permitiu aos pesquisadores controlar e manipular efetivamente as propriedades eletrônicas dos filmes finos de T-Nb2O5.

“Os cálculos de simulações atomísticas trazem grandes benefícios no avanço dos fundamentos da ciência na academia, mas também em várias tecnologias na indústria”, diz Arvin Kakekhani, ex-pesquisador de pós-doutorado do Grupo Rappe. “Este trabalho mostra como esses cálculos podem complementar experimentos, elucidando o papel da difusão do lítio nas propriedades elétricas de importantes baterias de estado sólido e materiais eletrônicos.”