Estudo avança na caracterização de material promissor para o armazenamento de energia

Pesquisadores da UFSCar e colaboradores investigaram o processo de cristalização de materiais com estrutura do tipo Nasicon, que apresentam alta condutividade iônica. Trabalho foi destaque de capa em The Journal of Chemical Physics

Agência FAPESP – Pesquisadores da Universidade Federal de São Carlos (UFSCar) deram um passo importante na compreensão de materiais com estruturas do tipo Nasicon, considerados – em razão de sua alta condutividade iônica – promissores para uso em eletrólitos sólidos em baterias de íons de lítio, dentre outras aplicações.

A pesquisa envolveu cientistas ligados ao Laboratório de Materiais Vítreos (LaMaV) e ao Centro de Pesquisa, Educação e Inovação em Vidros (CeRTEV) – um Centro de Pesquisa Inovação e Difusão (CEPID) da FAPESP. Os resultados foram publicados em The Journal of Chemical Physics. O artigo teve destaque na capa do periódico e figurou como publicação de especial relevância escolhida pelo editor (Editor’s Pick).

Nasicon é um acrônimo em inglês para super (s) condutor (con) iônico (i) à base de sódio (Na). A estrutura desses materiais, caracterizada por uma rede composta por octaedros e tetraedros, pode ser descrita como pouco compacta, ou seja, com grandes interstícios entre as unidades estruturais. Assim, podemos falar em algo como canais por meio dos quais os íons se movimentam, resultando em elevada condutividade iônica.

A partir da síntese do material por uma rota vitrocerâmica – ou seja, por meio da cristalização controlada de um vidro precursor – e do uso de técnicas de caracterização muito avançadas (ressonância magnética nuclear, difração de raios X e difração de nêutrons, dentre outras), o principal diferencial da pesquisa foi tornar possível acompanhar as alterações na estrutura do material durante o processo de cristalização.

"As diferenças na estrutura do material enquanto vidro e depois da cristalização são flagrantes. No entanto, durante o processo de cristalização, as alterações são sutis, não facilmente detectáveis, e esse é o principal diferencial do nosso trabalho", explica Ana Cândida Martins Rodrigues, docente do Departamento de Engenharia de Materiais da UFSCar e coordenadora de Educação e Difusão do CeRTEV, uma das autoras do artigo. Também integram o grupo de autores Jairo Felipe Ortiz Mosquera e Adriana Marcela Nieto Munoz, ambos mestres e doutores pelo Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais (PPGCEM) da UFSCar, sob a orientação de Rodrigues.

Dentre os resultados encontrados, destaca-se, como explica Rodrigues, o vínculo estabelecido entre a evolução da estrutura e a quantidade de oxigênios não ponteantes (um tipo específico de ligação química do oxigênio), que pode interferir na condutividade iônica. Além disso, os autores também propuseram um modelo para descrição do processo de nucleação homogênea dos cristais, em que unidades superestruturais funcionam como precursores para a nucleação.

Além de avanços significativos no conhecimento científico fundamental sobre esses materiais, a contribuição do trabalho também diz respeito a possibilidades futuras de controle do processo de cristalização para a obtenção das propriedades desejadas em eletrólitos de estado sólido, por exemplo.

Além dos pesquisadores da UFSCar, o grupo de autores inclui Hellmut Eckert, pesquisador do Instituto de Física de São Carlos da Universidade de São Paulo (IFSC-USP) e vice-coordenador do CeRTEV, e Igor d’Anciães Almeida Silva, pesquisador de pós-doutorado no IFSC-USP e bolsista da FAPESP. Os parceiros internacionais vêm da Universidade de Bath, no Reino Unido; do Instituto Fraunhofer para Tecnologias e Sistemas Cerâmicos e da Universidade Münster, ambos na Alemanha; e do Laboratório Nacional Argonne, nos Estados Unidos.

A equipe da UFSCar atuou principalmente na etapa inicial do estudo, planejando e executando o tratamento térmico que permitiu a obtenção das amostras do material com as características necessárias para o sucesso da aplicação, posteriormente, das técnicas de caracterização. “Nossa contribuição vem justamente de décadas de estudos e produção de conhecimento em vidros, vitrocerâmicas e cristalização no LaMaV e no CeRTEV”, conta Rodrigues.

As pesquisas que resultaram no artigo tiveram também apoio financeiro, no lado brasileiro, do Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) e da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (Capes).

O artigo Structure of crystalline and amorphous materials in the NASICON system Na1+xAlxGe2−x(PO4)3 pode ser lido em: https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0049399.