Construindo uma bateria melhor

Os cientistas sabem o que faz com que as baterias de iões de lítio libertem energia para alimentar os nossos telefones, dispositivos, carros – as nossas vidas. Átomos de lítio carregados, chamados íons, movem-se através de um eletrólito líquido em camadas de grafite, permitindo que os elétrons fluam e alimentem os dispositivos. Esse processo é chamado de intercalação.

Mas os cientistas não entendem muito sobre o processo, disse Scott Warren, professor associado do departamento de química da Faculdade de Artes e Ciências. “Como o lítio entra e sai do grafite. Como é que cobra. Como isso descarrega?

As respostas a essas perguntas são o que Miguel Reyna, estudante de química júnior de Fayetteville, Carolina do Norte, procura no laboratório de Warren. Um prêmio de bolsa de pesquisa de graduação de verão de US$ 5.000 apoia a pesquisa de Reyna.

Reyna está olhando para a intercalação, que produz múltiplas cores. “Vermelho, laranja, amarelo, azul, roxo – uma cor para cada estágio distinto dessa transformação”, disse Warren. “Essas etapas não foram totalmente caracterizadas. O que está acontecendo em cada um desses estágios?”

Ao reproduzir consistentemente os estágios e analisá-los, Reyna espera aumentar a compreensão dos pesquisadores sobre baterias e ajudar a melhorá-las. Um objetivo é armazenar mais lítio nas baterias para aumentar a energia para uma carga mais longa da bateria.

“É como tentar aproveitar ao máximo a gaveta de um arquivo. O lítio é o papel. Temos uma gaveta cheia de pastas e estamos nos perguntando quantos pedaços de papel cabem e ainda funciona”, disse Reyna.

Colocar muito lítio no mesmo espaço para aumentar a tensão ou a energia, disse Warren, pode fazer a bateria inchar, vazar, rachar ou sofrer reações químicas indesejadas.

Reyna começa seus experimentos construindo um dispositivo baseado na anatomia de baterias domésticas com dois eletrodos – um positivo e um negativo. Eles armazenam e liberam íons de lítio enquanto carregam e descarregam, como uma esponja que absorve água e a libera quando espremida. Um eletrólito, geralmente um líquido contendo sal de lítio dissolvido, conduz ou permite que íons de lítio fluam entre os eletrodos para armazenar e produzir energia elétrica.

Uma lâmina de laboratório de vidro é a base do dispositivo. Reyna usa uma máquina de pulverização catódica para revestir a lâmina com uma camada brilhante de titânio, fina como uma bolha de sabão. Ele cola uma moldura de Teflon (pense em uma moldura de janela retangular em miniatura) na lâmina com epóxi. Com uma pinça longa, ele coloca uma camada de grafite fina como um fio de cabelo humano dentro da moldura e depois aplica um medidor de voltagem para garantir que ela conduza eletricidade.

Depois que o epóxi endurece em três dias, ele vai para um espaço de trabalho chamado porta-luvas, sem oxigênio. Reyna coloca o dispositivo na caixa através de uma câmara de ar e, em seguida, enfia a mão no interior com longas luvas de borracha presas aos orifícios da caixa para segurar o slide. Ele adiciona lítio na forma líquida e sela o dispositivo.

Em seguida, ele coloca o dispositivo sob um microscópio óptico para verificar a qualidade do dispositivo. Se estiver estruturalmente correto, ele começa a filmar a intercalação por quatro horas. É aqui que ele espera ver os estágios da migração em cores.

Seus objetivos são reproduzir consistentemente o dispositivo e o experimento e ver um padrão de progressão exibido em muitos experimentos. “Espero ajustar este dispositivo para que possamos ver as cores perfeitamente.” Uma vez que ele veja o padrão de forma consistente, a equipe poderá usar outros métodos de imagem para aprender mais sobre a intercalação.

“Se conseguirmos compreender os fundamentos, poderemos descobrir como torná-lo mais eficiente, talvez trazer alguma inovação para as baterias”, disse Reyna.