As baterias desempenham um papel importante na vida cotidiana, desde a alimentação de smartphones até carros elétricos. Apesar da sua importância, as baterias atuais ainda apresentam sérias desvantagens, incluindo o alto custo e o risco de incêndio ou explosão. As baterias de estado sólido são há muito consideradas uma alternativa mais segura, mas o progresso tem sido retardado pelo desafio de equilibrar segurança, desempenho e acessibilidade. Agora, uma equipa de investigação da Coreia do Sul mostrou que o desempenho da bateria pode ser significativamente melhorado apenas através de um design estrutural inteligente, sem depender de metais caros.
Em 7 de janeiro, o KAIST anunciou um avanço de uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Dong-Hwa So, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. O projeto reuniu pesquisadores liderados pelo Professor Sung-Kyun Jung (Universidade Nacional de Seul), Professor Yong-Suk Jung (Universidade Yonsei) e Professor Kyung-Wang Nam (Universidade Dunguk). Juntos, eles desenvolveram uma nova abordagem para projetar materiais essenciais para baterias totalmente em estado sólido que usam matérias-primas de baixo custo, mantendo alto desempenho e menor risco de incêndio ou explosão.
Por que os eletrólitos sólidos são mais seguros, mas mais difíceis de otimizar
As baterias tradicionais de íons de lítio dependem de um eletrólito líquido que permite que os íons de lítio se movam entre os eletrodos. As baterias de estado sólido substituem esse líquido por um eletrólito sólido, o que melhora muito a segurança. No entanto, os íons de lítio movem-se através dos sólidos mais lentamente, e as tentativas anteriores de acelerá-los muitas vezes dependiam de metais caros ou de métodos de fabricação complicados.
Usando a química dos cristais para acelerar o movimento do lítio
Para resolver este problema, os pesquisadores se concentraram em melhorar a forma como os íons de lítio se movem através dos eletrólitos sólidos. Sua estratégia se concentrou no uso de “ânions divalentes”, como oxigênio e enxofre. Esses elementos afetam a estrutura cristalina do eletrólito, passando a fazer parte de sua estrutura básica, o que pode alterar a forma como os íons se movem dentro do material.
A equipe aplicou essa ideia a eletrólitos sólidos haleto à base de zircônio (Zr) baratos. Ao introduzir cuidadosamente ânions divalentes, eles conseguiram ajustar a estrutura interna do material. Esta abordagem, conhecida como “mecanismo estrutural”, amplia os caminhos disponíveis para os íons de lítio e reduz a energia necessária para movê-los. Como resultado, os íons de lítio podem se mover de forma mais rápida e eficiente através do material sólido.
Ferramentas avançadas confirmam melhorias estruturais
Para confirmar que estas mudanças estruturais funcionaram conforme pretendido, os investigadores confiaram numa série de técnicas analíticas avançadas, incluindo:
- Difração de raios X síncrotron de alta energia (XRD síncrotron)
- Análise da função de distribuição pareada (PDF).
- Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS)
- Simulações da teoria do funcional da densidade (DFT) de estrutura eletrônica e difusão
Essas técnicas permitiram à equipe examinar de perto como a estrutura cristalina mudou e como essas mudanças afetaram o movimento dos íons de lítio.
Maior produtividade usando materiais de baixo custo
Testes mostraram que a adição de oxigênio ou enxofre ao eletrólito aumenta a mobilidade dos íons de lítio de duas a quatro vezes em comparação com os eletrólitos convencionais à base de zircônio. Esta melhoria sugere que as baterias de estado sólido podem atingir níveis de desempenho adequados para uso em ambientes do mundo real sem depender de materiais caros.
À temperatura ambiente, o eletrólito dopado com oxigênio atingiu uma condutividade iônica de cerca de 1,78 mS/cm, enquanto a variante dopada com enxofre atingiu aproximadamente 1,01 mS/cm. A condutividade iônica mede a facilidade com que os íons de lítio se movem através de um material, e valores acima de 1 mS/cm são geralmente considerados suficientes para aplicações práticas de baterias em temperatura ambiente.
Trazendo inovação em baterias para um design mais inteligente
O professor Dong-Hwa Seo explicou o significado mais amplo do trabalho, dizendo: “Através desta pesquisa, apresentamos um princípio de design que pode melhorar simultaneamente o custo e o desempenho de baterias totalmente de estado sólido usando matérias-primas de baixo custo. Seu potencial para aplicação industrial é muito alto.” O autor principal, Jae-Seung Kim, enfatizou que o estudo destaca uma mudança na pesquisa de baterias, da simples seleção de novos materiais para o desenvolvimento de melhores estruturas.
Apoio a publicações e pesquisas
O estudo, liderado pelos coautores Jae-Sung Kim (KAIST) e Da-Sil Han (Universidade de Dungkuk), foi publicado na revista internacional Comunicações da natureza 27 de novembro de 2025
O financiamento da pesquisa foi fornecido pelo Samsung Electronics Future Technology Promotion Center, pela Korea National Research Foundation e pelo National Supercomputing Center.
