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Um método para estabilizar as interfaces em baterias de íons de lítio de estado sólido abre novas possibilidades.
Na busca interminável de colocar mais energia nas baterias sem aumentar seu peso ou volume, uma tecnologia especialmente promissora é a bateria de estado sólido. Nessas baterias, o eletrólito líquido usual que carrega cargas entre os eletrodos é substituído por uma camada de eletrólito sólido. Essas baterias poderiam não apenas fornecer o dobro de energia para seu tamanho, mas também eliminar virtualmente o risco de incêndio associado às baterias de íons de lítio atuais.
Mas uma coisa impediu as baterias de estado sólido: instabilidades na fronteira entre a camada de eletrólito sólido e os dois eletrodos de cada lado podem reduzir drasticamente a vida útil dessas baterias. Alguns estudos usaram revestimentos especiais para melhorar a ligação entre as camadas, mas isso adiciona o custo de etapas extras de revestimento no processo de fabricação. Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e do Brookhaven National Laboratory encontraram uma maneira de alcançar resultados que igualam ou superam a durabilidade das superfícies revestidas, mas sem a necessidade de revestimentos.
O novo método simplesmente requer a eliminação de qualquer dióxido de carbono presente durante uma etapa crítica de fabricação, chamada sinterização, onde os materiais da bateria são aquecidos para criar uma ligação entre as camadas de cátodo e eletrólito, que são feitas de compostos cerâmicos. Embora a quantidade de dióxido de carbono presente seja muito pequena no ar, medida em partes por milhão, seus efeitos acabam sendo dramáticos e prejudiciais. Realizar a etapa de sinterização em oxigênio puro cria ligações que correspondem ao desempenho das melhores superfícies revestidas, sem esse custo extra do revestimento, dizem os pesquisadores.
As descobertas são relatadas na revista Advanced Energy Materials, em um artigo do estudante de doutorado do MIT Younggyu Kim, professor de ciência e engenharia nuclear e de ciência e engenharia de materiais Bilge Yildiz, e Iradikanari Waluyo e Adrian Hunt no Laboratório Nacional de Brookhaven.
“Baterias de estado sólido são desejáveis por diferentes razões há muito tempo”, diz Yildiz. “Os principais pontos motivadores das baterias sólidas são que elas são mais seguras e têm maior densidade de energia”, mas foram impedidas de comercialização em larga escala por dois fatores, diz ela: a menor condutividade do eletrólito sólido e os problemas de instabilidade da interface.
A questão da condutividade foi efetivamente abordada e os materiais de condutividade razoavelmente alta já foram demonstrados, de acordo com Yildiz. Mas superar as instabilidades que surgem na interface tem sido muito mais desafiador. Essas instabilidades podem ocorrer tanto durante a fabricação quanto na operação eletroquímica dessas baterias, mas por enquanto os pesquisadores se concentraram na fabricação e, especificamente, no processo de sinterização.
A sinterização é necessária porque se as camadas cerâmicas são simplesmente pressionadas umas sobre as outras, o contato entre elas está longe do ideal, existem muitas lacunas e a resistência elétrica na interface é alta. A sinterização, que geralmente é feita a temperaturas de 1.000 graus Celsius ou acima para materiais cerâmicos, faz com que os átomos de cada material migrem para o outro para formar ligações. Os experimentos da equipe mostraram que, em temperaturas acima de algumas centenas de graus, ocorrem reações prejudiciais que aumentam a resistência na interface – mas apenas se o dióxido de carbono estiver presente, mesmo em pequenas quantidades. Eles demonstraram que evitar o dióxido de carbono e, em particular, manter uma atmosfera de oxigênio puro durante a sinterização, poderia criar uma ligação muito boa em temperaturas de até 700 graus, sem a formação de nenhum dos compostos prejudiciais.
O desempenho da interface cátodo-eletrólito feita com esse método, diz Yildiz, foi “comparável às melhores resistências de interface que vimos na literatura”, mas todas foram alcançadas usando a etapa extra de aplicação de revestimentos. “Estamos descobrindo que você pode evitar essa etapa adicional de fabricação, que normalmente é cara.”
Os ganhos potenciais em densidade de energia que as baterias de estado sólido proporcionam vêm do fato de permitirem o uso de metal de lítio puro como um dos eletrodos, que é muito mais leve que os eletrodos atualmente usados feitos de grafite com infusão de lítio.
A equipe agora está estudando a próxima parte do desempenho dessas baterias, que é como essas ligações se mantêm a longo prazo durante o ciclo da bateria. Enquanto isso, as novas descobertas podem ser aplicadas rapidamente à produção de baterias, diz ela. “O que estamos propondo é um processo relativamente simples na fabricação das células. Não adiciona muita penalidade de energia à fabricação. Portanto, acreditamos que pode ser adotado com relativa facilidade no processo de fabricação”, e os custos adicionais, eles calcularam, devem ser insignificantes.
Grandes empresas como a Toyota já estão trabalhando na comercialização de versões iniciais de baterias de íon-lítio de estado sólido, e essas novas descobertas podem ajudar rapidamente essas empresas a melhorar a economia e a durabilidade da tecnologia.
A pesquisa foi apoiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA por meio do Instituto de Nanotecnologias de Soldados do MIT. A equipe usou instalações apoiadas pela National Science Foundation e instalações no Brookhaven National Laboratory, apoiadas pelo Departamento de Energia.
Publicado em 11/03/2022 06h36
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