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For a long time, battery scientists assumed that lithium ions drift through the liquid inside a cell largely alone. A team at Columbia University now reports that they often do not. In a study published in Nature, the researchers found that up to 40% of lithium ions in standard electrolytes group together into multi-ion clusters, and that clustering grows as salt concentration rises.
Durante muito tempo, os cientistas de baterias partiram do princípio de que os iões de lítio se deslocam no líquido do interior da célula sobretudo sozinhos. Uma equipa da Universidade de Columbia afirma agora que, com frequência, não é assim. Num estudo publicado na Nature, os investigadores constataram que até 40 % dos iões de lítio nos eletrólitos padrão se agrupam em aglomerados de vários iões, e que esse agrupamento aumenta à medida que a concentração de sal sobe.
The electrolyte is the liquid that carries lithium ions between a battery's electrodes. It also drives the formation of the solid electrolyte interphase, a thin protective film on the anode that shapes both how long a battery lasts and how safe it is. Until now, the atomic-level structure behind that film had been difficult to pin down. The study was co-led by Richard Friesner of Columbia's Department of Chemistry, with Alexander Urban, Lauren Marbella and Daniel Steingart of the School of Engineering and Applied Science. The simulations relied on machine learning force field technology provided by Schrödinger Inc., with support from the New York Structural Biology Center.
O eletrólito é o líquido que transporta os iões de lítio entre os elétrodos da bateria. É também ele que impulsiona a formação da interfase sólida de eletrólito, uma película protetora fina no ânodo que influencia tanto a duração como a segurança da bateria. Até agora, a estrutura à escala atómica por detrás desta película era difícil de determinar. O estudo foi coordenado por Richard Friesner, do Departamento de Química da Universidade de Columbia, com Alexander Urban, Lauren Marbella e Daniel Steingart, da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas. As simulações basearam-se em tecnologia de campos de força de aprendizagem automática fornecida pela Schrödinger Inc., com o apoio do Centro de Biologia Estrutural de Nova Iorque.
The simulations showed lithium ions bunching up even without anions, the negatively charged ions that had been assumed to be needed for such groupings. Quantum chemical calculations indicate that these multi-lithium clusters are unusually easy to reduce, meaning they take up electrons readily. That makes them likely candidates for the intermediate steps that build the protective film, which the researchers describe as critical for longevity and safety.
As simulações mostraram os iões de lítio a agruparem-se mesmo sem aniões, os iões de carga negativa que se pensava serem necessários para tais agrupamentos. Os cálculos de química quântica indicam que estes aglomerados de lítio são invulgarmente fáceis de reduzir, ou seja, captam eletrões com facilidade. Isto torna-os prováveis candidatos às etapas intermédias que constroem a película protetora, que os investigadores descrevem como essencial para a longevidade e a segurança.
The simulations were only half of the work. Columbia's engineering school ran experiments, and the team reports that its machine learning simulations showed strong agreement with a wide range of experimental data on condensed-phase systems. Friesner stressed that confirming the predicted chemistry in the lab was extremely difficult. This is a laboratory result, and it has not yet been turned into a commercial electrolyte.
As simulações foram apenas metade do trabalho. A escola de engenharia de Columbia realizou experiências e a equipa refere que as suas simulações de aprendizagem automática apresentaram uma forte concordância com um vasto conjunto de dados experimentais sobre sistemas em fase condensada. Friesner sublinhou que confirmar em laboratório a química prevista foi extremamente difícil. Trata-se de um resultado de laboratório, que ainda não foi transformado num eletrólito comercial.
For battery chemists designing next-generation electrolytes, the clusters offer a concrete target: a model of what happens at the atomic scale, which the authors say can guide work on performance, stability and charge rates. The team says the insights have the potential to produce higher-capacity, faster-charging and longer-lasting batteries, but it gives no timeline for when that could reach a product. Friesner also argues that the same blend of simulation and experiment could help with biology and materials science more broadly.
Para os químicos que concebem eletrólitos de nova geração, os aglomerados oferecem um alvo concreto: um modelo do que acontece à escala atómica, que, segundo os autores, pode orientar o trabalho sobre desempenho, estabilidade e velocidades de carregamento. A equipa afirma que as descobertas têm potencial para dar origem a baterias com maior capacidade, carregamento mais rápido e maior duração, mas não indica quando isso poderá chegar a um produto. Friesner defende ainda que a mesma combinação de simulação e experiência poderá ajudar em áreas como a biologia e a ciência dos materiais, de forma mais geral.