Futuro do fornecimento de energia deverá ser com mais eficiência energética

Desde os anos 1940, os cientistas exploram o uso do óxido de nióbio, especialmente uma forma conhecida como T-Nb2O5, para criar baterias mais eficientes.

Esse material único é conhecido por sua habilidade de permitir que íons de lítio (as partículas pequenas e carregadas que fazem as baterias trabalhar) se movam rapidamente dentro dela. Quanto mais rápido os íons de lítio se movem, mais rápida a bateria pode ser carregada.

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O desafio, porém, sempre foi crescer o óxido de nióbio em camadas finas e planas, ou “filmes”, que são a mais alta qualidade para ser usada em aplicações práticas.

O problema deriva da complexa estrutura do T-Nb2O5 e a existência de muitas formas similares, ou polimorfos, de óxido de nióbio.

Nova pesquisa

Sobre o assunto, há nova pesquisa publicada na Nature Materials, membros do grupo de pesquisa de Andrew Rappe da Universidade da Pensilvânia colaboraram com pesquisadores do Instituto Max Planck e Universidade de Cambridge;A pesquisa demonstrou, com sucesso, o crescimento de alta qualidade de camadas unitárias de cristal de T-Nb2O5, alinhados de forma que permite aos íons de lítio se moverem significativamente mais rápido;“Essa dramática mudança permite uma série de aplicações em potencial, desde carregamento de baterias em alta velocidade a computação de eficiência energética e mais”, disse Rape.

Nossas modalidades convencionais de armazenamento de lítio em catódios geralmente depende de processo de recristalização que tende a interferir na estrutura, como os que vemos nas baterias atuais.

Zhen Jiang, ex-pesquisador de pós-doutorado no Grupo Rape

Aaron Schankler, estudante graduado na Escola de Artes & Ciências, adiciona: “O que a equipe na Max Planck e da Universidade de Cambridge fez é achar uma forma de mover íons de lítio de forma que não perturbe a estrutura cristalina de nosso filme fino, o T-Nb2O5, e ajudamos a racionalizar como os íons pode mover para dentro e fora rapidamente e de forma reversível”.

Rappe compara o T-Nb2O5 com uma estrutura de estacionamento multinível em que os níveis de lítio são carros e a estrutura do T-Nb2O5 forma canais abertos, ou rampas, que permitem aos carros se moverem para cima e para baixo entre os níveis.

Crescendo o T-Nb2O5 para que aqueles canais rodem verticalmente, ou ‘para cima e para baixo’, nossa equipe tornou possível para os íons de lítio se moverem significativamente mais rápidos, deste modo, permitindo para mudanças rápidas e colossais em propriedades elétricas de filmes finos ao inserir os íons de lítio entre átomos no terminal negativo de nosso sistema.

Hyon Han, do Instituto Max Planck e principal autor do estudo

Rape nota que os pesquisadores da Universidade de Cambridge trabalharam próximos com sua equipe e descobriram várias transições que não eram conhecidas na estrutura do material conforme a concentração de íons de lítio mudou.

Essas transições mudam as propriedades eletrônicas do material, permitindo que ele mude de um isolante a um metal, significando que ele deixa de bloquear a corrente elétrica para conduzi-la. Essa é uma mudança dramática, a resistividade do material cai a um fator de 100 bilhões.

A equipe de Penn desenvolveu o trabalho computacional em teorizar as condições necessárias para originar a estabilidade das transições por meio dos cálculos da teoria funcional da densidade, um método mecânico quântico usado para investigar a estrutura eletrônica de sistemas de muitos corpos, especialmente átomos, moléculas e fases condensadas.

Rape afirma que, com esse método, a equipe pode calcular e prever o comportamento do material sob diferentes condições.

Ele diz ainda que os cálculos teóricos ajudaram a racionalizar as múltiplas fases de transições que eles observaram, bem como de que maneira essas fases podem ser relacionadas à concentração de íons de lítio e seus arranjos dentro da estrutura de cristal.

Esse entendimento, por sua vez, permitiu aos pesquisadores a controlar e a manipular efetivamente as propriedades eletrônicas dos filmes finos de T-Nb2O5.

Cálculos de simulações atômicas possuem grandes benefícios em avançar os fundamentos da ciência na academia, mas, também, várias tecnologias na indústria. Esse trabalho mostra como esses cálculos podem complementar os experimentos, elucidando o papel da difusão do lítio em propriedades elétricas de importantes baterias de estado sólido e materiais eletrônicos.

Arvin Kakekhani, ex-pesquisador pós-doutorado no Grupo Rape

A habilidade de controlar a orientação desses filmes nos permite explorar transporte dependente direcional nessa tecnologicamente importante classe de materiais, fundamental para entender como esses materiais operam.

Clare P. Grey, da Universidade de Cambridge

Ao manipular essas transições de fase, os pesquisadores demonstraram que podem, de forma repetida e confiável, controlar as propriedades eletrônicas desses filmes finos. Ainda, alterando a composição química da “ponte” de eletrodo, um componente que controla o fluxo de íons e um dispositivo, eles puderam sintonizar a voltagem na qual o material se torna metálico, estendendo ainda mais as aplicações potenciais.

Essa pesquisa é um testamento ao poder das colaborações interdisciplinares e curiosidades científicas inextinguíveis. Nosso entendimento do T-Nb2O5 e materiais complexos similares têm sido dramaticamente aprimorados, definindo o curso para um futuro mais sustentável e eficiente.

Stuart S. P. Parkin, do Instituto Max Planck

Com informações de Tech Xplore

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