Um vislumbre dentro de uma bateria de trabalho

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Um vislumbre dentro de uma bateria de trabalho
Os químicos desenvolvem uma nova técnica para observar processos químicos durante a operação da
bateria.
Crédito da imagem: Bastian Krueger
As baterias revolucionaram o armazenamento de energia, convertendo energia química em energia
elétrica que é usada para alimentar um mundo sem fio. Mas o que exatamente acontece dentro de uma
bateria no nível microscópico?
É claro que sabemos que as partículas carregadas viajam de um eletrodo carregado positivamente,
chamado de cátodo, e fazem o seu caminho para o ânodo negativo, criando a corrente elétrica.
Curiosamente, na maioria das baterias de íons de lítio, uma camada ultrafina chamada de interfase
eletrolítica sólida (SEI) se forma no ânodo durante os primeiros ciclos de carregamento. Esta camada é
importante para preservar a longevidade de uma bateria, pois protege o ânodo reativo, bem como o
eletrólito da bateria contra a degradação.
Estudar a formação SEI, sua composição e função durante a carga e descarga da bateria é geralmente
realizada fora da bateria. Mas observar diretamente as mudanças que ocorrem nessas camadas
complexas, que são de espessura de micrômetros, forneceria uma imagem mais precisa para os
cientistas epreendê-las e desenvolver melhores materiais para baterias mais eficientes, ecológicas e
duráveis.
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Para este fim, uma equipe de cientistas liderada pelo professor Gunther Wittstock, da Universidade de
Oldemburgo, apresentou recentemente uma nova técnica para a observação ao vivo de processos que
até agora não foram observados em uma bateria de trabalho.
De acordo com o estudo, que foi recentemente publicado na revista ChemElectroChem, a equipe
observou em tempo real as propriedades protetoras da camada ultrafina SEI usando uma técnica de
imagem chamada microscopia eletroquímica de varredura (SECM) que é usada para medir o
comportamento eletroquímico local de interfaces líquida / sólida, líquida / gás e líquida / líquida.
Para olhar para dentro de uma bateria de trabalho, a equipe criou uma “célula de medição”, que foi
construída usando impressoras 3D e máquinas de micro-moagem CNC, e usada para imitar as
condições de uma bateria real. A célula continha um eletrodo de trabalho e contador, e para realizar
suas medições SECM, foi criada uma abertura central na qual uma sonda de medição de microeletrodo
SECM foi inserida perto do eletrodo de lítio de trabalho para monitorar as condições.
A equipe então escaneou intermitentemente a superfície da sonda de medição em intervalos de apenas
alguns micrômetros para coletar informações químicas sobre a camada de formação. “Ao repetir esse
processo várias vezes, podemos rastrear as mudanças na superfície da amostra, como em um flipbook”,
explicou Wittstock.
A nova técnica in situ da equipe permitiu que eles observassem processos no ânodo de lítio com
precisão incrível, como deposição de fluidos no ânodo e a formação de dendritos – ramificação,
estruturas rígidas que podem danificar a bateria e limitar sua durabilidade.
“O avanço em nosso estudo consiste no fato de que, pela primeira vez, fomos capazes de realizar tais
processos em densidades atuais realistas diretamente dentro do aparelho de medição e monitorar
visualmente seus efeitos”, enfatizou Wittstock. A técnica também poderia ser usada em outros tipos de
eletrodos, acrescentou, explicando que o objetivo a longo prazo era estudar como diferentes etapas de
pré-tratamento influenciam a formação de uma camada limite protetora nos eletrodos.
Referência: Bastian Krueger, etal. Evolutividade de interfase de eletrólitos sólidos em eletrodos de metal
de lítio seguido por varredura de microscopia eletroquímica sob densidades de corrente de ciclismo de
bateria realistas ' ChemElectroChem (2020). DOI: 10.1002/celc.202000441
Citações adaptadas do comunicado de imprensa original fornecido pela Universidade de Oldenburg
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https://doi.org/10.1002/celc.202000441
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-07/uoo-ali072020.php