Engenheiro recebe prêmio NSF CAREER para melhorar o lítio

Oct 26, 2023

Crédito: Adobe Stock. Todos os direitos reservados.

31 de maio de 2023

UNIVERSITY PARK, Pa. — As baterias de íon-lítio alimentam a maioria dos eletrônicos, de smartphones a veículos elétricos, e são usadas até mesmo para armazenar energia para abastecer residências inteiras. Globalmente, os analistas de marketing esperam que o mercado de baterias de íons de lítio cresça de US$ 65,9 bilhões em 2021 para US$ 273,8 bilhões até 2030. Embora o uso de baterias de íons de lítio continue a se expandir rapidamente, pouco se sabe sobre as forças que governam os principais processos que desempenho de impacto.

Feifei Shi, professor assistente no John and Willie Leone Family Department of Energy and Mineral Engineering, recebeu um prêmio de $ 594.788 do Programa de Desenvolvimento de Carreira Inicial (CAREER) da National Science Foundation (NSF) para repensar os modelos eletroquímicos fundamentais e potencialmente transformar como o lítio baterias de íon são projetadas. O impacto pode ser visto em todas as aplicações eletroquímicas que usam eletrólitos líquidos, como baterias de fluxo, células de combustível e supercapacitores cujo uso abrange desde produtos de consumo até armazenamento de energia em escala de rede.

Segundo Shi, a falta de um entendimento mais aprofundado decorre, em parte, da descoberta da dupla camada eletrônica (EDL), os fenômenos elétricos que ocorrem quando um líquido e uma superfície interagem causando uma camada superficial eletricamente carregada. Os modelos iniciais criados no início de 1900 foram um dos pilares da eletroquímica, mas poucos pesquisadores os examinaram mais profundamente até agora.

"Aprender sobre dupla camada elétrica é um dos primeiros modelos aos quais você é exposto em uma aula de eletroquímica clássica, se não o primeiro", disse Shi. "O modelo imagina íons perfeitamente esféricos, ideais, mas, na realidade, essa simplicidade não existe. Não podemos mais ignorar o tamanho, a forma ou o espaço que os íons ocupam."

Shi freqüentemente lida com EDL em sua pesquisa explorando propriedades interfaciais, e encontrar íons como os representados no modelo não tem sido sua experiência. Ela explicou que os íons se ramificam e têm ondulações visíveis nos eletrólitos da bateria. Além disso, em solventes de sais orgânicos, os microssistemas são maiores, mais dinâmicos e possuem uma gama mais ampla de propriedades expectantes do que em solventes simples como a água. Shi acredita que uma imagem física mais precisa dessas diferenças permitirá que pesquisadores e desenvolvedores de baterias entendam melhor a cinética interfacial no desempenho da bateria, disse ela.

"Tudo é projetado com base na EDL", disse Shi. "Portanto, se o seu ponto de partida não for 100% compreendido, como você pode saber por onde começar? Entender um componente tão crucial é essencial para um design de bateria melhor e mais racional."

Muitos processos que ocorrem no EDL afetam diretamente o desempenho da bateria, disse Shi, apontando para seu telefone celular e observando como todos experimentaram os resultados de uma bateria envelhecida e como, com o tempo, as baterias não mantêm a carga por tanto tempo ou requerem mais frequência carregando. Essa queda no poder é o resultado da corrosão ou acúmulo na camada de passivação dentro da interface, ela explicou. Eventualmente, a energia é consumida e os eletrólitos líquidos dentro da bateria secam. A taxa de carga de uma bateria é determinada pelos comportamentos cinéticos no EDL que afetam a rapidez e a liberdade com que os elétrons são transferidos e como os íons migram entre a interface. Para veículos elétricos (EVs), isso significa que as principais prioridades da maioria dos potenciais compradores de carros elétricos, como autonomia e velocidade de carregamento, podem ser melhoradas com uma melhor compreensão do EDL.

Na opinião de Shi, há uma urgência no trabalho, disse ela. Ela é motivada pela forma como os avanços na ciência aplicada e na engenharia superam os desenvolvimentos na ciência fundamental. Ela frequentemente vê novos produtos lançados antes que o conhecimento possa se acumular por meio de experimentação e compreensão fundamental. No contexto do prazo zero líquido de 2050 no Acordo de Paris, a necessidade de se concentrar nos fundamentos é mais importante, disse Shi.

"Precisamos de um novo cânone de compreensão", disse Shi. “Agora é a hora da pesquisa fundamental alcançar e expandir a fronteira do nosso conhecimento e, com sorte, inspirar uma nova imagem ou uma nova hipótese que possa nos ajudar a atender às necessidades energéticas de nossas sociedades da maneira mais sustentável possível”.