As células eletroquímicas – ou baterias, como um exemplo bem conhecido – são tecnologias complexas que combinam química, física, ciência de materiais e eletrônicos. Mais do que fontes de energia para tudo, desde smartphones a veículos elétricos, eles continuam sendo uma forte motivação para a investigação científica que busca entender completamente sua estrutura e evolução no nível molecular.
Uma equipe liderada por Yingjie Zhang, professora de ciência e engenharia de materiais na Faculdade de Engenharia de Grainger da Universidade de Illinois Urbana-Champaign, concluiu a primeira investigação sobre um aspecto amplamente reconhecido, mas muitas vezes negligenciado das células: a não uniformidade do líquido nas interfaces de líquida sólida nas células. Como os pesquisadores relataram nos procedimentos da Academia Nacional de Ciências, a imagem microscópica revelou que essas estruturas interfaciais, chamadas camadas duplas elétricas (EDLs), tendem a se organizar em configurações específicas em resposta à deposição química na superfície do sólido.
“Há uma tendência a pensar nas células eletroquímicas apenas por sua utilidade tecnológica como baterias, mas ainda há muita ciência para fazer nelas que informará as aplicações tecnológicas”, disse Qian AI, estudante de graduação do grupo de pesquisa de Zhang e principal autor do estudo. “Em nosso trabalho, examinamos cuidadosamente EDLs com microscopia de força atômica 3D, uma técnica projetada para sentir pequenas forças. Observamos a estrutura molecular dos EDLs não homogêneos ao redor de aglomerados de superfície pela primeira vez”.
As células eletroquímicas aproveitam as cargas móveis dentro dos eletrólitos líquidos para manter um desequilíbrio elétrico que gera uma diferença de tensão entre dois terminais. As primeiras investigações desses sistemas há mais de 100 anos revelaram a existência de EDLs na interface entre o eletrólito líquido e o condutor sólido mediando a diferença de tensão. Eles consistem em eletrólitos auto-organizados em camadas de nanômetro-espessura na interface.
Trabalhos anteriores mostraram que as interfaces de líquido sólido nas baterias são heterogêneas, exibindo composições químicas e morfologias espacialmente variáveis, às vezes formando aglomerados de superfície. No entanto, essas tentativas de estudar e modelar células eletroquímicas se concentraram apenas em sistemas modelo com superfícies planas e uniformes. O resultado é uma lacuna de conhecimento que impede nossa compreensão das células eletroquímicas e da tecnologia de bateria.
Para investigar as interfaces heterogêneas, a equipe usou a microscopia de força atômica 3D, uma técnica projetada para sentir pequenas forças. Esse método lhes permitiu correlacionar a não homogeneidade nas EDLs com os aglomerados de superfície, estruturas que nucleam nos estágios iniciais do carregamento da bateria. Com base nos dados, os pesquisadores propuseram três respostas primárias nas EDLs: “flexão”, nas quais as camadas parecem se curvar ao redor do cluster; “Breaking”, em que partes das camadas se destacam para formar novas camadas intermediárias; e “Reconexão”, na qual a camada EDL acima do cluster se conecta a uma camada próxima com um deslocamento no número da camada.
“Esses três padrões são bastante universais”, disse Ai. “Essas estruturas se devem principalmente ao tamanho finito das moléculas líquidas, não à sua química específica. Devemos ser capazes de prever a estrutura líquida com base na morfologia da superfície do sólido para outros sistemas”.
No futuro, os pesquisadores esperam expandir suas descobertas.
“Isso é inovador”, disse Zhang. “Resolvamos os EDLs em sistemas eletroquímicos realistas e heterogêneos, que é um grão sagrado na eletroquímica. Além das implicações práticas na tecnologia, estamos começando a desenvolver novos capítulos em livros de eletroquímica”.
Lalith Bonagiri, Kaustubh Panse, Jaehyeon Kim e Shan Zhou também contribuíram para este trabalho.
O apoio foi fornecido pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.
Yingjie Zhang é um professor assistente de engenharia de Illinois Grainger de Ciência e Engenharia de Materiais no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. Ele é afiliado do corpo docente do Laboratório de Pesquisa de Materiais e do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada.
