O progresso na pesquisa aplicada no Argonne National Laboratory aumenta a esperança de que as baterias de estado sólido irão substituir as baterias convencionais de íon de lítio mais cedo ou mais tarde.
Recarregar as baterias em dispositivos eletrônicos – tão grandes quanto veículos elétricos ou tão pequenos quanto telefones celulares – se tornou uma atividade tão cotidiana quanto carregar a máquina de lavar louça. As baterias de íon de lítio que alimentam principalmente esses dispositivos são leves e de produção econômica. No entanto, eles são inflamáveis por natureza, o que levanta preocupações sobre sua segurança e confiabilidade à medida que as demandas de energia e armazenamento da rede continuam a crescer.
A pesquisa aplicada no Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) sugere que a substituição das baterias de íon-lítio por uma tecnologia melhor pode ser possível mais cedo do que o esperado.
As baterias de íon de lítio ainda requerem um líquido ou gel para permitir que a bateria seja carregada e descarregada; é por isso que as baterias mais antigas às vezes vazam com o tempo. Uma nova geração de baterias mais segura não depende de líquidos ou géis. Em vez disso, essas baterias de estado sólido usam uma película sólida muito fina para manter as partes geradoras de carga (cátodos e ânodos) separadas e permitir que a bateria seja carregada e descarregada.
Há anos, químicos de todo o laboratório vêm fazendo descobertas na ciência básica por trás das baterias de estado sólido. Em seguida, os cientistas do Centro de Pesquisa de Engenharia de Materiais (MERF) da Argonne ampliam essas descobertas e as aproximam do mercado.
“Baterias de estado sólido podem armazenar mais energia, são mais seguras e ocupam menos espaço”, disse Jessica Durham, da divisão de Materiais Aplicados da Argonne, que trabalha com seu colega cientista de materiais Albert Lipson para produzir sólidos inovadores para substituir materiais líquidos em baterias. “Os processos de fabricação e tecnologias que estamos desenvolvendo no MERF têm vantagens específicas – processamento mais rápido, sinterização sem pressão, uniformidade em grande escala e densidade mais alta – em relação aos usados atualmente.”
O valor de velocidade e uniformidade para a fabricação de baterias é direto, e maior densidade melhora o tempo de uso de uma bateria. Melhorar o processo de sinterização é a chave para desbloquear todas essas vantagens.
A sinterização pode ser a ponte para baterias melhores
A sinterização envolve o aquecimento de um material em pó até que se forme lentamente em um material sólido, sem buracos ou poros. Este processo é importante em baterias de estado sólido porque o material fino que separa o cátodo e o ânodo deve ser forte e denso o suficiente para suportar o manuseio durante a fabricação, montagem e operação. Ele também deve oferecer alto desempenho; ou seja, a bateria deve permitir um carregamento rápido, conduzir bem a eletricidade e durar muito tempo.
Ao melhorar o processo de sinterização, os cientistas de Argonne também podem permitir a substituição do material de grafite comumente usado hoje por metal de lítio. Essa substituição dobra a densidade de energia da bateria, o que significa que a bateria do mesmo tamanho pode armazenar o dobro de energia.
Argonne coloca a ciência para funcionar
Testar e melhorar os processos e tecnologias que criam esses materiais sólidos de bateria em escala industrial significativa e com custo mais baixo é a especialidade do MERF. Atualmente, ninguém produz baterias de estado sólido com custo competitivo com as baterias de íon de lítio tradicionais.
“Para que novos materiais sejam adotados pela indústria, os processos de fabricação devem ter custos competitivos ao que está sendo feito e os materiais devem possuir vantagens significativas sobre os materiais do mercado atual”, explica Durham. “No MERF, desenvolvemos processos econômicos para a fabricação de novos materiais substituindo componentes caros, reduzindo o consumo de energia, reduzindo o desperdício e melhorando as condições de processamento sem sacrificar o desempenho do material. Fazer essa pesquisa no MERF permite que os cientistas da Argonne decifrem arriscar tecnologias e fornecer à indústria um processo escalonado pronto para uso.”
Argonne é um dos laboratórios nacionais dos EUA que trabalha para dimensionar materiais eletrolíticos de estado sólido para baterias. Ele faz isso como parte de seu esforço contínuo para aumentar a escala de materiais complexos e processos químicos essenciais para a competitividade dos EUA na fabricação industrial. O MERF de 28.000 pés quadrados foi vital para ajudar a Argonne a avançar neste esforço, com um histórico comprovado de uso das tecnologias mais recentes para ajudar as empresas a fazer novos materiais emergentes para aplicações avançadas.
“A Argonne é um parceiro importante para a indústria porque podemos ajudá-la a eliminar o risco de novas tecnologias ou materiais”, disse Durham. “Retirar esses riscos para a indústria lhes permitirá comercializar produtos mais rapidamente, o que lhes poupará tempo e dinheiro valiosos. É assim que os pesquisadores da Argonne colocam a ciência para funcionar.”
Publicado em 10/10/2021 09h23
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