Smartphones, carros elétricos e inúmeros eletrônicos portáteis dependem de baterias. À medida que cresce a procura por um melhor armazenamento de energia, as melhorias na capacidade das baterias, na esperança de vida e na segurança desempenharão um papel importante no futuro da electrificação. Uma das tecnologias mais promissoras é a bateria de estado sólido, que poderá permitir que os smartphones funcionem durante dias com uma única carga e proporcionar aos veículos eléctricos três vezes a autonomia de muitos modelos actuais.
Ao contrário das baterias convencionais de íons de lítio, que usam um eletrólito líquido entre dois eletrodos sólidos, as baterias de estado sólido substituem o líquido por um eletrólito sólido. Este design oferece diversas vantagens potenciais, incluindo maior densidade de energia, maior segurança e maior vida útil da bateria. Mas um problema persistente retardou a adoção comercial. Durante o carregamento, pequenas estruturas semelhantes a árvores chamadas dendritos podem crescer fora do ânodo de lítio, perfurar o eletrólito sólido e criar curtos-circuitos internos.
Agora, uma equipe interdisciplinar do Instituto Max Planck de Materiais Sustentáveis (MPI-SusMat) determinou exatamente como esses dendritos causam as fraturas que eventualmente levam à falha da bateria. Seus resultados foram publicados na revista Natureza.
Como os dendritos quebram baterias de estado sólido
Exatamente como os dendritos moles de lítio conseguem romper o eletrólito cerâmico duro há muito tempo intriga os pesquisadores.
“Embora os eletrodos e os dendritos formadores sejam feitos de metal de lítio, que é tão macio quanto um ursinho de goma, os dendritos são capazes de penetrar no eletrólito cerâmico e causar um curto-circuito, “diz o Dr. Yuwei Zhang, primeiro autor do novo artigo e líder do grupo de Mecânica Química de Materiais de Bateria da MPI-SusMat. “Como os dendritos moles podem destruir cerâmicas duras? Existem duas hipóteses: ou uma tensão interna é criada dentro dos dendritos, o que causa a destruição mecânica do eletrólito sólido. Ou os elétrons fluem ao longo dos limites dos grãos do eletrólito sólido, contribuindo para a formação de núcleos de lítio, que mais tarde se unem.”
Para determinar qual explicação estava correta, os pesquisadores usaram uma combinação sofisticada de técnicas de preparação de amostras e caracterização de materiais. Cada etapa foi realizada sob vácuo e em temperaturas criogênicas para eliminar a interferência do oxigênio, da água ou mesmo dos feixes de elétrons dos microscópios.
A equipe investigou tanto a tensão interna quanto a deformação plástica dos dendritos de lítio presos nas rachaduras. A análise deles não encontrou acúmulo de lítio antes da ponta dendrítica, descartando um dos mecanismos propostos.
“O lítio metálico macio é capaz de penetrar através de um eletrólito cerâmico duro, semelhante a um fluxo contínuo de água penetrando uma pedra. Calculamos que a tensão hidrostática no dendrito eventualmente leva à fratura frágil do eletrólito sólido”, diz Zhang.
Os pesquisadores também confirmaram suas descobertas usando simulações de campo de fase e medições de difração de retroespalhamento de elétrons.
Novas estratégias para evitar falhas na bateria
Com uma melhor compreensão de como os dendritos decompõem os eletrólitos sólidos, a equipe está agora investigando maneiras de interromper ou atrasar o processo.
As soluções potenciais incluem aumentar a resistência do eletrólito sólido para que ele resista a rachaduras por mais tempo, introduzindo vazios microscópicos que redirecionam o crescimento de dendritos e desviam as rachaduras para longe de áreas vulneráveis, ou adicionando revestimentos protetores aos eletrodos de lítio para reduzir a formação de dendritos em primeiro lugar.
Os pesquisadores dizem que seu trabalho demonstra a importância de compreender como os materiais se comportam no nível microscópico. Esta compreensão poderá ajudar a transformar as baterias de estado sólido de um conceito promissor numa tecnologia prática para futuros smartphones, carros eléctricos e outros dispositivos electrónicos.
