Desenvolvimento de microarranjos funcionais para uma interface eficiente do ânodo metálico de lítio

Desenvolvimento de microarranjos funcionais para uma interface eficiente do ânodo metálico de lítio

An HD quality, realistic image showing a laboratory with diverse group of scientists: one Hispanic woman, one Middle-Eastern man, one South Asian woman and one Black man. They are actively engaged in creating functional micro-arrays for efficient lithium metal anode interface. The setting includes lab equipment such as microscopes, lab coats, safety goggles, petri dishes and multi-well plates. The team is busily working, showing off a cooperative effort in advancements in the field of lithium-ion battery development.

Cientistas do Instituto de Pesquisa em Metalurgia (IMR) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) desenvolveram microarranjos de nano-hidroxiapatita (nHA) que melhoram significativamente a interface entre o ânodo metálico de lítio e o eletrólito. Essa descoberta tem o potencial de superar o desafio de estabilidade dessa interface, tornando as baterias de lítio mais seguras e eficientes.

Lítio (Li) é considerado um material promissor para as próximas gerações de baterias de alta densidade energética, devido à sua alta capacidade específica e baixo potencial de redução. No entanto, a interação instável entre o eletrólito e o ânodo metálico de lítio tem sido um obstáculo para a aplicação prática dessas baterias.

Os pesquisadores liderados pelos professores Bai Shuo e Li Feng do IMR-CAS, em colaboração com o professor Tan Jun do Laboratório Ji Hua, conseguiram criar microarranjos de nHA em uma folha de cobre (um coletor de corrente) que promovem a formação de uma película sólida de interface eletrolítico-ânodo (SEI) robusta e estável.

A chave para um ânodo metálico de lítio estável é construir uma película SEI robusta na interface eletrolítico-ânodo. A abordagem ideal é otimizar a estrutura de solvatação dos íons no eletrólito, especialmente na interface eletrolítico-ânodo, enquanto mantém as propriedades do eletrólito em massa.

Os pesquisadores descobriram que as partículas eletronegativas de nHA com alta ligação de íons Li + podem efetivamente ajustar a estrutura de solvatação dos íons no eletrólito. Íons Li + migrarão preferencialmente para a superfície da partícula de nHA, formando uma região local rica em Li + ao redor da partícula de nHA, onde ânions podem interagir com mais Li + para formar ânions multicoordenados.

Com base nessa descoberta, os microarranjos de nHA são preparados em uma folha de cobre para formar preferencialmente ânions multicoordenados na interface eletrolítico-ânodo. Ao mesmo tempo, o experimento também verifica que os microarranjos não afetam a estrutura de solvatação do eletrólito em massa.

Em geral, ânions não coordenados são fortemente repelidos pelo ânodo rico em elétrons, o que diminui consideravelmente a eficiência de decomposição dos ânions. Neste estudo, o uso de microarranjos de nHA permite que os ânions multicoordenados na interface eletrolítico-ânodo possam ser transportados pelo íon Li + para atravessar efetivamente a camada dupla elétrica no ânodo, o que é desejado para uma película SEI derivada de ânions. Os ânions no eletrólito são mais completamente decompostos em componentes inorgânicos altamente protetores na película SEI, o que pode efetivamente suprimir o crescimento de dendritos no ânodo.

Como resultado, em altas densidades de corrente de carga e descarga, o risco do conhecido microcurto-circuito em baterias de lítio metálico é significativamente reduzido.

A descoberta de que materiais eletronegativos podem influenciar a estrutura de solvatação local no eletrólito fornece novos princípios de design para a construção de uma SEI robusta em baterias de lítio metálico estáveis.

Mais informações: Haorui Shen et al, Spatially Selective Solvation Structure por Electronegative Micro‐Arrays for Stable Lithium‐Metal Anode Interface, Advanced Materials (2023). DOI: 10.1002/adma.202306553

FAQ:

1. O que são microarranjos de nano-hidroxiapatita (nHA)?
Os microarranjos de nano-hidroxiapatita são estruturas em escala nanométrica compostas por partículas de hidroxiapatita eletronegativas.

2. Qual é a função do microarranjo nHA na interface do ânodo metálico de lítio?
O microarranjo nHA tem a função de ajustar a estrutura de solvatação dos íons no eletrólito, promovendo a formação de uma película robusta de interface eletrolítico-ânodo (SEI) estável.

3. Como os microarranjos de nHA afetam o desempenho das baterias de lítio?
Os microarranjos de nHA permitem a formação de ânions multicoordenados na interface eletrolítico-ânodo, o que contribui para a redução do crescimento de dendritos no ânodo. Isso torna as baterias de lítio mais seguras e eficientes.

4. Qual é a importância da interface eletrolítico-ânodo em baterias de lítio metálico?
A interface eletrolítico-ânodo é crucial para a estabilidade e desempenho das baterias de lítio metálico. A formação de uma película SEI robusta e estável nessa interface é essencial para evitar o crescimento de dendritos e melhorar a eficiência da bateria.

Fonte: Instituto de Pesquisa em Metalurgia (IMR) da Academia Chinesa de Ciências (CAS) – https://www.cas.cn/