Sólido

Uma nova bateria de lítio totalmente em estado sólido pode não apenas armazenar quase o dobro de energia de uma bateria de íon de lítio padrão, mas também não é propensa a pegar fogo como suas contrapartes comerciais atuais. O segredo por trás do sucesso deste novo protótipo? Livrar-se de um dos eletrodos usuais de uma bateria, segundo um novo estudo.

As baterias convencionais fornecem eletricidade por meio de reações químicas entre dois eletrodos – o ânodo carregado negativamente, onde os elétrons saem de uma bateria, e o cátodo carregado positivamente, onde os elétrons podem entrar na bateria. Os eletrodos típicos de uma bateria de íons de lítio são feitos de substâncias cujas estruturas podem armazenar e liberar íons de lítio eletricamente carregados. O ânodo é muitas vezes composto de grafite, enquanto o cátodo é muitas vezes um óxido de metal. Esses materiais de eletrodo são revestidos em folhas de metal que coletam a corrente gerada - para o ânodo, esse metal geralmente é cobre e, para o cátodo, alumínio.

Os eletrodos em baterias de íon-lítio normalmente interagem através de eletrólitos líquidos ou em gel. Em vez disso, as baterias totalmente em estado sólido empregam eletrólitos sólidos feitos de materiais como a cerâmica.

Os eletrólitos sólidos são mais compactos que os eletrólitos líquidos ou em gel. Isso significa que as baterias totalmente em estado sólido podem produzir mais energia do que as baterias convencionais para a mesma quantidade de peso ou espaço. Além disso, as baterias de lítio totalmente em estado sólido são muito mais seguras do que suas contrapartes convencionais, que usam eletrólitos líquidos orgânicos que normalmente são inflamáveis.

Muito permanece incerto quando se trata da melhor maneira de criar uma bateria de estado sólido, útil e estável. Por exemplo, pesquisas anteriores descobriram que eletrólitos sólidos à base de sulfeto podem ajudar a criar baterias que podem armazenar muita energia. No entanto, os sulfetos desses eletrólitos podem reagir com ambos os eletrodos, gerando compostos que impedem o fluxo de eletricidade dentro das baterias.

Uma maneira pela qual os cientistas procuraram melhorar as baterias totalmente em estado sólido é substituindo seus ânodos de grafite convencionais apenas por um coletor de corrente de folha de cobre. Essa estratégia pode aumentar significativamente a quantidade de energia que essas baterias podem conter. "Você está efetivamente eliminando metade do material interno da bateria", diz o autor sênior do estudo David Mitlin, cientista de materiais da Universidade do Texas em Austin. Usar menos material também reduz o custo, acrescenta.

No entanto, um dos principais desafios enfrentados pela pesquisa em baterias de estado sólido sem ânodo é o problema que elas enfrentam ao passar por ciclos de descarga e recarga de maneira estável. Agora, em um novo estudo, os pesquisadores mostram que um novo revestimento pode superar esse problema.

Os cientistas experimentaram uma bateria de estado sólido sem ânodo com um eletrólito sólido à base de sulfeto. Eles exploraram o revestimento de seu coletor de corrente de cobre com telúrio ultrafino ativado por lítio. O objetivo era controlar a maneira como o metal de lítio se espalhava ou "molhava" o cobre. Eles descobriram que esse novo revestimento ajudava a depositar o lítio metálico e a se dissolver do coletor de corrente de cobre em uma camada fina e uniforme.

Sem esse novo revestimento, os pesquisadores descobriram que a folha de cobre ficou coberta com estruturas microscópicas irregulares durante a recarga e descarga. Isso inclui dendritos pontiagudos que "podem e levarão a curtos-circuitos da bateria entre o ânodo e o cátodo, o que, por sua vez, pode causar incêndios na bateria", diz Mitlin. Eles também incluem pedaços de "metal morto" e crostas de material semelhante a um favo de mel que impediam o desempenho da bateria. "É como ter um motor coberto por uma espessa camada de ferrugem por dentro", diz ele.

A nova bateria pode conter 72% mais energia por peso e 95% mais energia por volume do que as baterias comerciais de íons de lítio. Os pesquisadores observam que poderiam produzir o novo revestimento nesses coletores de corrente de cobre usando técnicas de fabricação padrão. Isso pode ajudar a simplificar o aumento da produção dessas novas baterias, acrescentam.