Modalidades de ciência de superfície lançam nova luz sobre a difusão de lítio em materiais de bateria

Microengenharia a vácuo OCI, um fabricante canadense de instrumentação especializada para a análise de superfície de filmes finos, está aplicando seu conhecimento e experiência de domínio coletivo ao estudo da difusão localizada de lítio dentro de uma variedade de materiais de armazenamento de energia. A esperança é que a iniciativa interna de P&D, se traduzida em adoção comercial em larga escala em toda a cadeia de suprimentos de baterias, produza recursos analíticos revolucionários para acelerar a avaliação e otimização de materiais de eletrodos de próxima geração, camadas intermediárias e estabilizadores compostos para tecnologias de bateria à base de lítio.

Em termos de especificidades do projeto, a equipe da OCI está rastreando a difusão de lítio em estado sólido de uma fonte de fase gasosa para materiais de bateria de película fina usando dois “cavalos de trabalho analíticos” do mundo da ciência de superfície: espectroscopia de elétrons Auger (AES) e espectroscopia de baixa energia difração de elétrons (LEED). Implantadas em conjunto, as duas modalidades fornecem informações complementares sobre a amostra em estudo, com o AES interrogando a composição elementar do ambiente próximo à superfície (normalmente a uma profundidade de 3 a 10 nm), enquanto o LEED determina a estrutura da superfície de monocristalinos materiais via bombardeio com um feixe colimado de elétrons de baixa energia (e subsequente observação de elétrons difratados em uma tela fluorescente).

Perspectivas únicas

Fundada em 1990, a OCI já possui uma base internacional de clientes de P&D que emprega seus espectrômetros LEED e AES para caracterizar todos os tipos de nanomateriais. As principais aplicações incluem materiais 2D, filmes finos orgânicos para dispositivos eletrônicos, fotovoltaicos avançados e filmes finos magnéticos (para aplicações de spintrônica e supercondutora) - em cada caso, garantindo compatibilidade com quase todos os sistemas de deposição de filmes finos a vácuo (incluindo epitaxia por feixe molecular e deposição de vapor químico ).

“No momento, o uso de ferramentas de ciência de superfície para avaliar a difusão de lítio em materiais de armazenamento de energia é um esforço de prova de princípio de nossa parte”, explica Jozef Ociepa, presidente e cientista-chefe da OCI. O objetivo, acrescenta ele, é usar dados experimentais do mundo real para educar clientes existentes e em potencial sobre a utilidade do AES/LEED para seus programas de P&D de baterias – e, no processo, abrir novas oportunidades comerciais para a OCI. “Queremos mostrar aos fabricantes de baterias e empresas de materiais avançados como o LEED e o AES podem ajudá-los a olhar com 'novos olhos' para o desempenho da bateria – avaliando a física fundamental de novos materiais de ânodo e cátodo, por exemplo, nos estágios iniciais do produto ciclo de desenvolvimento”.

Tudo isso é importante, dada a busca incansável da indústria de baterias por materiais de eletrodos inovadores capazes de acumular mais íons de lítio em suas estruturas cristalinas, ao mesmo tempo em que garantem alta mobilidade de íons de lítio, ciclos de carga estáveis ​​e vida útil operacional estendida. “Com certeza, a tecnologia de bateria baseada em íon-lítio é um sucesso comprovado, mas ainda há questões fundamentais de desempenho a serem resolvidas”, observa Ociepa. Esses problemas incluem baixa densidade de energia, degradação da capacidade e crescimento de dendritos (estruturas de lítio semelhantes a árvores que podem levar a uma falha catastrófica da bateria). “O uso de LEED e AES abrirá um espectro mais amplo de recursos analíticos para melhor caracterizar a próxima geração de materiais de bateria”, acrescenta.

A Ociepa e colegas vêm desenvolvendo seus Testador de difusão de lítio, que requer um ambiente operacional de ultra-alto vácuo (UHV), nos últimos 18 meses e apresentou resultados iniciais de pesquisa para uma variedade de materiais no Reunião Anual da Electrochemical Society (ECS) em Atlanta, GA, em outubro do ano passado (consulte “Como a física fundamental impulsiona o desempenho da bateria”, abaixo). Dado que os instrumentos AES e LEED são linhas de produtos OCI testadas e comprovadas, o avanço da tecnologia está na integração de vários blocos de construção principais no sistema de teste de difusão - especificamente, a configuração AES/LEED, a fonte de evaporação de lítio, o resfriamento do estágio de amostra e aquecimento, bem como o bloqueio de carga e porta-luvas.

“O Lithium Diffusion Tester é agora um sistema pronto para uso, pronto para envio aos clientes com prazo de entrega de seis meses a partir do pedido”, observa Ociepa. “Atualmente, estamos na fase de implementação e validação da plataforma em uma variedade de materiais de bateria, incluindo silício nanoestruturado, carboneto de silício e grafite pirolítico altamente orientado.”

A localização é a chave

A inovação tecnológica também está em andamento, com a equipe da OCI integrando recentemente uma célula de teste eletroquímica compatível com UHV ao lado do Lithium Diffusion Tester. Essa configuração estendida abre caminho para a caracterização de superfície in-situ de eletrodos de bateria individuais usando LEED e AES, com esses componentes transferíveis da célula de teste eletroquímico para a câmara de teste de difusão sem quebrar as condições de vácuo.

A grande vitória aqui é o uso de modalidades de ciência de superfície para medir a difusão de lítio dentro de eletrodos individuais separadamente da célula da bateria - um avanço significativo para os fabricantes de baterias, cujos métodos de teste eletroquímicos tradicionais rastreiam a difusão de lítio através do ânodo, cátodo e eletrólito combinados no célula. “Nossa abordagem AES/LEED oferece localização sem precedentes e uma imagem mais granular para informar testes de desempenho, análise de degradação e falha e medições de previsão de vida útil em materiais candidatos para baterias de próxima geração”, observa Ociepa.

Em última análise, conclui Ociepa, as modalidades combinadas têm o potencial de gerar conjuntos de dados únicos sobre a difusão do lítio que a indústria não conseguiria de outra forma. “Acreditamos que esse recurso fornecerá uma visão alternativa do desempenho da bateria, acelerando a absorção de novos materiais candidatos e identificando pontos críticos de falha no início do ciclo de desenvolvimento do produto”.

• Conteúdo com tecnologia de SEO e distribuição de relações públicas. Seja amplificado hoje.
• Platoblockchain. Inteligência Metaverso Web3. Conhecimento Ampliado. Acesse aqui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/surface-science-modalities-shed-new-light-on-lithium-diffusion-in-battery-materials/