Estruturas cristalinas flexíveis fornecem materiais de energia sólida

Estruturas cristalinas flexíveis fornecem materiais de energia sólida: uma equipe de pesquisadores da Duke University e seus colaboradores descobriram os mecanismos atômicos que tornam uma classe de compostos chamados argiroditos candidatos atraentes para eletrólitos de bateria de estado sólido e conversores de energia termoelétrica.

As descobertas – e a abordagem de aprendizado de máquina usada para fazê-las – podem ajudar a inaugurar uma nova era de armazenamento de energia para aplicações como paredes de baterias domésticas e veículos elétricos de carga rápida.

Os resultados apareceram online em 18 de maio na revista Nature Materials.

"Este é um quebra-cabeça que não foi resolvido antes por causa de quão grande e complexo cada bloco de construção do material é", disse Olivier Delaire, professor associado de engenharia mecânica e ciência de materiais da Duke. “Experimentamos os mecanismos no nível atômico que estão fazendo com que toda essa classe de materiais seja um tópico importante no campo da inovação em baterias de estado sólido”.

À medida que o mundo se move em direção a um futuro baseado em energia renovável, os pesquisadores devem desenvolver novas tecnologias para armazenar e distribuir energia para residências e veículos elétricos. Embora o porta-estandarte até este ponto tenha sido a bateria de íons de lítio contendo eletrólitos líquidos, ela está longe de ser uma solução ideal devido à sua eficiência relativamente baixa e à afinidade do eletrólito líquido para ocasionalmente pegar fogo e explodir.

“Experimentamos os mecanismos no nível atômico que estão fazendo com que toda essa classe de materiais seja um tópico importante no campo da inovação em baterias de estado sólido”.

OLIVIER DELAIRE

Essas limitações decorrem principalmente dos eletrólitos líquidos quimicamente reativos dentro das baterias de íons de lítio, que permitem que os íons de lítio se movam relativamente livres entre os eletrodos. Embora ótimo para mover cargas elétricas, o componente líquido os torna sensíveis a altas temperaturas que podem causar degradação e, eventualmente, uma catástrofe térmica descontrolada.

Estruturas cristalinas flexíveis fornecem materiais de energia sólida: muitos laboratórios de pesquisa públicos e privados estão gastando muito tempo e dinheiro para desenvolver baterias alternativas de estado sólido a partir de uma variedade de materiais. Se projetada corretamente, essa abordagem oferece um dispositivo muito mais seguro e estável com uma densidade de energia mais alta – pelo menos em teoria.

Embora ninguém tenha ainda descoberto uma abordagem comercialmente viável para as baterias de estado sólido, um dos principais concorrentes depende de uma classe de compostos chamados argiroditas, nomeados em homenagem a um mineral que contém prata. Esses compostos são construídos a partir de estruturas cristalinas específicas e estáveis ​​feitas de dois elementos com um terceiro livre para se mover na estrutura química. Embora algumas receitas como prata, germânio e enxofre ocorram naturalmente, a estrutura geral é flexível o suficiente para que os pesquisadores criem uma ampla gama de combinações.

“Todos os fabricantes de veículos elétricos estão tentando mudar para novos designs de bateria de estado sólido, mas nenhum deles está revelando em quais composições estão apostando”, disse Delaire. "Ganhar essa corrida seria uma virada de jogo porque os carros poderiam carregar mais rápido, durar mais e ser mais seguros ao mesmo tempo."

No novo artigo, Delaire e seus colegas analisam um candidato promissor feito de prata, estanho e selênio (Ag8SnSe6). Usando uma combinação de nêutrons e raios-x, os pesquisadores rebateram essas partículas extremamente rápidas de átomos dentro de amostras de Ag8SnSe6 para revelar seu comportamento molecular em tempo real. O membro da equipe Mayanak Gupta, um ex-pós-doutorando no laboratório de Delaire que agora é pesquisador do Bhabha Atomic Research Center na Índia, também desenvolveu uma abordagem de aprendizado de máquina para dar sentido aos dados e criou um modelo computacional para combinar as observações usando primeiros princípios simulações de mecânica quântica.

"Todos os fabricantes de veículos elétricos estão tentando mudar para novos designs de bateria de estado sólido, mas nenhum deles está revelando em quais composições estão apostando. Vencer essa corrida seria uma virada de jogo porque os carros poderiam carregar mais rápido, durar mais e ser mais seguros. tudo de uma vez."