Baterias de estado sólido sempre armazenam e liberam carga ao empurrar os íons contidos nela para frente e para trás entre dois eletrodos. No que estamos acostumados, esses íons fluem pelo eletrólito sólido da bateria em suave fluxo.
Contudo, ao olharmos esse processo em escala atômica, o fluxo suave se mostra incorreto. Na verdade, os íons saltam sem rumo de um espaço aberto para outro, dentro da rede atômica do eletrólito, que é espaçosa.
Eles são empurrados na direção de um dos eletrodos por meio de uma voltagem constante. Tais saltos são difíceis de prever e é desafiador acioná-los e detectá-los.
Contudo, um novo estudo relacionado mostra que pesquisadores deram aos íons saltitantes choque de voltagem ao acertá-los com um pulso de luz de laser.
O surpreendente foi que a maioria dos íons mudou de direção por breve período e retornou às suas posições de origem antes retomarem sua viagem errática. Essa foi a primeira indicação de que os íons podem se “lembrar” de onde estavam, reporta o TechXplore.
O estudo foi conduzido pelo Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC do Departamento de Energia, Universidade de Stanford, Universidade de Oxford e Universidade de Newcastle e foi publicado na Nature no último dia 24.
“Mistura de amido de milho e água”
“Você pode pensar que os íons se comportam como mistura de amido de milho e água”, disse Andrey D. Poletayev, pesquisador de pós-doutorado em Oxford que ajudou a liderar o experimento quando era pós-doutorado no SLAC.
Se empurrarmos suavemente esta mistura de amido de milho, ela se rende como um líquido; mas se a perfurarmos, ela fica sólida. Os íons em uma bateria são como amido de milho eletrônico. Eles resistem a forte sacudida de um choque de luz de laser, movendo-se para trás.
Andrey D. Poletayev, pesquisador de pós-doutorado em Oxford
- Essa “memória difusa” dos íons, dita por Poletayev, permanece apenas poucos bilionésimos de segundo;
- Contudo, saber que os íons têm essa capacidade vai ajudar aos cientistas a prever para onde os íons irão, pela primeira vez;
- Essa é importante consideração para a descoberta e desenvolvimento de novos materiais.
Estudo
Nos experimentos no laboratório de laser do SLAC, foram usados cristais finos e transparentes de um eletrólito sólido de uma família de materiais chamados beta-aluminas.
Esses materiais foram os primeiros eletrólitos de alta condutividade já descobertos. Eles contêm pequenos canais, pelos quais os íons saltitantes podem viajar rapidamente, e têm a vantagem de serem mais seguros que os eletrólitos líquidos.
Os beta-aluminas são usados em baterias de estado sólido, baterias de enxofre de sódio e células eletroquímicas.
Conforme os íons saltitam pelos canais de beta-alumina, os pesquisadores os acertaram com pulsos de luz de laser que duraram apenas trilionésimos de segundo. A seguir, eles mediram a luz que saio do eletrólito.
Ao variarem o tempo entre o pulso de laser e a medição, os cientistas puderam determinar, de forma precisa, como os íons se deslocam e optam por certa direção nos poucos trilionésimos de segundo após o choque dado pelo laser.
Incomum
“Existem várias coisas estranhas e incomuns acontecendo no processo de salto de íons. Quando aplicamos uma força que sacode o eletrólito, o íon não responde imediatamente como na maioria dos materiais”, disse Aaron Lindenberg, professor do SLAC e de Stanford, e pesquisador do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES) que liderou o estudo.
O íon pode ficar ali por um tempo, pular de repente e, depois, ficar ali por um bom tempo novamente. Você pode ter que esperar algum tempo e, de repente, ocorre um deslocamento gigante. Portanto, há um elemento de aleatoriedade neste processo que torna esses experimentos difíceis.
Aaron Lindenberg, professor do SLAC e de Stanford, e pesquisador do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES)
Seguindo os pesquisadores, até o momento, imaginou-se que a forma como os íons viajam era como uma espécie de clássica “caminhada a esmo”. Eles empurram, colidem e cambaleiam, como uma pessoa bêbada, por exemplo.
Porém, às vezes, eles chegam a algum lugar, de forma que pode parece deliberada para quem observa. Outro exemplo dado pelo TechXplore é quando um gambá libera um odor desagradável; as moléculas do odor se chocam e colidem aleatoriamente, mas chegam rapidamente aos nossos narizes.
Quando se trata de íons saltitantes, “essa imagem acaba sendo errada em escala atômica”, disse Poletayev, “mas isso não é culpa das pessoas que chegaram a essa conclusão. Acontece que os pesquisadores têm investigado o transporte iônico com ferramentas macroscópicas por tanto tempo, e eles não conseguiram observar o que vimos neste estudo”.
Segundo ele, as descobertas realizadas em escala atômica, “ajudarão a ligar as lacunas entre os movimentos atômicos que podemos modelar em um computador e um desempenho macroscópico de um material, que fez nossa pesquisa ser tão complicada”.