“Como produzimos baterias a um custo adequado para adoção em massa globalmente, e como você faz isso para eletrificar o planeta?” Clare Grey perguntou a um público de mais de 450 participantes presenciais e virtuais combinados na sexta palestra anual Dresselhaus, organizada pelo MIT.nano em 18 de novembro. “O maior desafio é como você faz baterias para permitir mais energias renováveis na rede.”

Essas perguntas enfatizaram uma das principais mensagens de Grey em sua apresentação: o futuro das baterias se alinha aos esforços climáticos globais. Ela abordou questões de sustentabilidade com a mineração de lítio e enfatizou a importância de aumentar a variedade de minerais que podem ser usados em baterias. Mas a palestra focou principalmente em técnicas avançadas de imagem para produzir insights sobre os comportamentos de materiais que guiarão o desenvolvimento de novas tecnologias. "Precisamos criar novas químicas e novos materiais que sejam mais sustentáveis e mais seguros", disse ela, bem como pensar em outras questões como o uso de segunda mão, que exige que as baterias sejam feitas para durar mais.

“As baterias realmente transformaram a maneira como vivemos”, disse Grey. “Para melhorar as baterias, precisamos entender como elas funcionam, precisamos entender como elas operam e precisamos entender como elas se degradam.”

Grey, uma professora de pesquisa da Royal Society e professora de química Geoffrey Moorhouse-Gibson na Universidade de Cambridge, introduziu novos métodos ópticos para estudar baterias enquanto elas estão operando, visualizando reações até a nanoescala. “É muito mais fácil estudar um dispositivo operacional in-situ”, ela disse. “Quando você desmonta baterias, às vezes há processos que não sobrevivem à desmontagem.”

Grey apresentou o trabalho vindo de seu grupo de pesquisa que usa metrologias in situ para entender melhor diferentes dinâmicas e fenômenos transformacionais de vários materiais. Por exemplo, a ressonância magnética nuclear in situ pode identificar problemas com o envolvimento de lítio com silício (ele não forma uma camada passivadora) e demonstrar por que os ânodos não podem ser substituídos por sódio (é a molécula de tamanho errado). Grey discutiu o valor de ser capaz de usar metrologia in situ para observar materiais de maior densidade de energia que são mais sustentáveis, como baterias de lítio-enxofre ou lítio-ar.

A palestra conectou a estrutura local aos mecanismos e como os materiais se intercalam. Grey falou sobre o uso da microscopia de espalhamento interferométrico (iSCAT), normalmente usada por biólogos, para acompanhar como os íons são puxados para dentro e para fora dos materiais. Compartilhando imagens iSCAT de grafite, ela deu um alô à falecida professora do Instituto e homônima da palestra Mildred Dresselhaus ao discutir a nucleação, o processo pelo qual os átomos se juntam para formar novas estruturas que é importante para considerar novos materiais mais sustentáveis para baterias.

“Millie, em sua aula de física do estado sólido para alunos de graduação, explicou muito bem o que está acontecendo aqui”, explicou Grey. “Há uma mudança drástica na condutividade conforme você vai do estado diluído para o estado denso. A condutividade aumenta. Com essas informações, você pode explorar a nucleação.”

“Como projetamos para carregamento rápido?”, perguntou Grey, discutindo a espectroscopia de gradiente para visualizar diferentes materiais. “Precisamos encontrar um material que opere em uma voltagem alta o suficiente para evitar o revestimento de lítio e tenha alta mobilidade de lítio.”

“Para retornar ao tema do grafite e Millie Dresselhaus”, disse Grey, “eu tenho tentado realmente entender qual é a natureza da camada passivadora que cresce tanto no grafite quanto no metal de lítio. Podemos melhorar essa camada?” Na sessão de perguntas e respostas que se seguiu, Grey falou sobre os prós e contras de incorporar nitrogênio no ânodo.

Após a palestra, Grey foi acompanhado por Yet-Ming Chiang, o Professor de Cerâmica da Kyocera no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, para um bate-papo ao pé da lareira. A conversa abordou atitudes políticas e acadêmicas em relação às mudanças climáticas no Reino Unido, e os membros da plateia aplaudiram o desenvolvimento de Grey de métodos de imagem que permitem aos pesquisadores observar a resposta dependente da temperatura dos materiais da bateria.

Esta foi a sexta Palestra Dresselhaus, nomeada em homenagem à Professora Mildred Dresselhaus do Instituto MIT, conhecida por muitos como a "Rainha da Ciência do Carbono". "É realmente maravilhoso estar aqui para celebrar a vida e a ciência de Millie Dresselhaus", disse Grey. "Ela era uma forte defensora das mulheres na ciência. Estou honrada em estar aqui para dar uma palestra em homenagem a ela."