Laboratório robótico avalia nova estratégia de design de reação

Novos produtos químicos para baterias, semicondutores e muito mais poderiam ser mais fáceis de fabricar, graças a uma nova abordagem para fabricar materiais quimicamente complexos que pesquisadores da Universidade de Michigan e do Laboratório de Materiais Avançados da Samsung demonstraram.

Suas novas receitas usam ingredientes não convencionais para fabricar materiais de bateria com menos impurezas, exigindo menos etapas de refinamento dispendiosas e aumentando sua viabilidade econômica.

“Nas últimas duas décadas, muitos materiais de bateria com maior capacidade, velocidade de carregamento e estabilidade foram projetados computacionalmente, mas não chegaram ao mercado”, disse Wenhao Sun, professor de ciência e engenharia de materiais em início de carreira da Dow na UM e no autor correspondente do estudo publicado em Síntese da Natureza.

“Muitas vezes, um material simples é um bom ponto de partida, mas quando você adiciona um pouco do composto A e um pouco do composto B, a mágica acontece e você obtém grandes melhorias na capacidade ou na taxa de carregamento. No entanto, estes quimicamente materiais complexos são muitas vezes difíceis de fabricar em escala e com alta pureza.”

Os materiais da bateria são normalmente feitos misturando vários pós de óxido diferentes e queimando-os em um forno. No entanto, estes pós reagem numa sequência e não todos ao mesmo tempo. Os dois primeiros ingredientes a reagir são geralmente aqueles que liberam mais energia ao reagir. A primeira reação resulta em um composto intermediário que então reage com o pó restante, e assim por diante, até que não sejam mais possíveis reações.

Se as ligações químicas nos compostos intermediários forem difíceis de quebrar, eles poderão não reagir totalmente com os outros ingredientes. Quando não reagem totalmente, os intermediários permanecem como impurezas indesejadas no material final.

“Projetamos uma estratégia para tornar os materiais livres de impurezas de forma mais confiável”, disse Jiadong Chen, o primeiro autor do estudo e estudante de doutorado da UM em ciência e engenharia de materiais e computação científica. “O truque é trabalhar apenas com dois ingredientes por vez e deliberadamente fazer intermediários instáveis ​​que reagirão completamente com os ingredientes restantes.”

Para testar esta estratégia, a equipe da Sun projetou 224 receitas diferentes para criar 35 materiais conhecidos diferentes contendo elementos usados ​​nas baterias atuais e nas baterias “além do lítio” da próxima geração.

Os pesquisadores então fizeram parceria com o Laboratório de Materiais Avançados da Samsung Semiconductor em Cambridge, Massachusetts, para testar se suas receitas produziam esses 35 materiais com menos impurezas do que as receitas convencionais. O laboratório robótico automatizado da Samsung pode sintetizar até 24 materiais de bateria diferentes a cada 72 horas.

Braços robóticos manuseiam os ingredientes e operam o equipamento do laboratório que avalia a pureza dos materiais resultantes. Enquanto isso, os computadores registram automaticamente os resultados de cada experimento, criando um banco de dados que os pesquisadores podem usar para determinar quais receitas funcionaram melhor.

“Com o laboratório automático, poderíamos testar amplamente nossa hipótese em diversos produtos químicos de baterias”, disse Chen.

Os experimentos confirmaram que as novas receitas com ingredientes concebidos para serem instáveis ​​tendiam a produzir produtos mais limpos. As novas receitas melhoraram a pureza dos materiais em até 80%, e seis dos materiais alvo só puderam ser feitos com novas receitas.

Os projetos do laboratório robótico foram detalhados no relatório da equipe, que Sun espera que permita que mais laboratórios de química adotem laboratórios robóticos tanto para ciência quanto para fabricação de materiais.

“Precisamos de mais dados – não apenas de receitas bem-sucedidas, mas também de receitas malsucedidas – para melhorar as estratégias de fabricação de materiais. Mais laboratórios robóticos ajudarão a gerar os dados necessários”, disse Sun.

Esses laboratórios estão ao alcance da maioria das instituições de pesquisa e poderiam acelerar significativamente o desenvolvimento de materiais, dizem os pesquisadores.

“O custo inicial do equipamento robótico é de cerca de US$ 120 mil – não tão alto quanto você imagina. Mas os benefícios em rendimento, confiabilidade e gerenciamento de dados são inestimáveis”, disse o coautor do estudo Yan Eric Wang, engenheiro principal e gerente de projeto do Laboratório de materiais avançados da Samsung.