Equipa de investigação coreano-japonesa revela mecanismo de movimento de iões de lítio em electrólitos sólidos

De acordo com pt.wedoany.com-Uma equipa internacional de investigação, liderada pelo Professor Bong June Sung do Departamento de Química da Universidade Sogang, na Coreia do Sul, e pelo Professor Shinji Saito do Instituto de Ciências Moleculares (IMS) da Organização Nacional de Investigação Científica (NINS) e da Universidade de Estudos Avançados (SOKENDAI), no Japão, revelou a nível molecular o mecanismo de movimento dos iões de lítio em cristais plásticos iónicos orgânicos (OIPCs), materiais considerados como electrólitos sólidos para baterias de próxima geração.

Nos OIPCs, embora o material seja sólido, as moléculas e iões no seu interior continuam a rodar in situ. Anteriormente, a comunidade académica acreditava que o "mecanismo de pás de moinho de água" — onde este movimento rotacional impulsionaria os iões de lítio para a frente, tal como as pás de um moinho de água — dominava a condução iónica. Neste estudo, os investigadores utilizaram simulações de dinâmica molecular em supercomputadores, combinadas com uma análise de função de salto capaz de capturar com precisão os saltos individuais de iões, para reavaliar teoricamente esta hipótese. Os resultados indicam que o movimento dos iões de lítio não é diretamente impulsionado pela rotação das moléculas circundantes, mas sim pela reorganização cooperativa das gaiolas iónicas formadas pelos aniões circundantes. A equipa confirmou teoricamente que, quando o número de aniões em torno de um ião de lítio diminui temporariamente, ou seja, quando a "gaiola iónica" se "abre", o movimento do ião de lítio é significativamente intensificado.

Atualmente, as baterias de iões de lítio amplamente utilizadas em smartphones e veículos elétricos empregam maioritariamente electrólitos líquidos. No entanto, os electrólitos líquidos são inflamáveis, apresentando riscos de incêndio ou explosão. Para resolver este problema de segurança, electrólitos sólidos de alta segurança estão a ser estudados como alternativas promissoras.

Entre estes materiais alternativos, os cristais plásticos iónicos orgânicos (OIPCs) têm atraído atenção como "sólidos moles". Embora sejam sólidos, as moléculas e iões no seu interior podem rodar ativamente in situ, e este movimento molecular tem o potencial de promover a migração iónica no estado sólido. Assim, os OIPCs são considerados materiais electrolíticos que podem combinar alta segurança com elevada condutividade iónica.

Nas baterias de iões de lítio, o processo de carga e descarga depende do movimento dos iões de lítio no interior do electrólito. Portanto, no desenvolvimento de electrólitos sólidos, incluindo os OIPCs, compreender como e a que velocidade os iões de lítio se movem é crucial para desenvolver materiais de bateria de próxima geração com alto desempenho e segurança.

Até agora, a principal explicação para a condução iónica nos OIPCs era o "mecanismo de pás de moinho de água". Esta teoria sugere que o movimento rotacional das grandes moléculas e iões circundantes empurra os iões de lítio para a próxima posição, tal como as pás de um moinho de água. No entanto, o momento, local e modo específico do movimento real de um único ião de lítio não tinham sido completamente elucidados até agora.