Usar um eletrólito sólido em vez de líquido em uma bateria poderia permitir a recarga de baterias de metal de lítio, que são mais seguras, armazenam muito mais energia e carregam muito mais rápido do que as baterias de íon de lítio atuais. Esta ideia atrai cientistas e engenheiros há décadas. No entanto, o progresso foi limitado por uma fraqueza crítica. Eletrólitos sólidos feitos de materiais cristalinos tendem a desenvolver rachaduras microscópicas. Com o tempo, essas rachaduras aumentam durante o carregamento repetido e eventualmente levam à falha da bateria.
Os pesquisadores de Stanford, com base no trabalho publicado há três anos que mostrou como pequenas rachaduras, amassados e defeitos superficiais se formam e se propagam, identificaram agora uma solução potencial. Eles descobriram que o tratamento térmico de uma camada extremamente fina de prata na superfície de um eletrólito sólido pode prevenir amplamente esse dano.
Conforme relatado por Materiais da natureza No dia 16 de janeiro, a superfície tratada com prata tornou-se cinco vezes mais resistente a trincas causadas por pressão mecânica. O revestimento também reduziu o risco de o lítio penetrar nos defeitos superficiais existentes. Este tipo de intrusão é particularmente prejudicial durante o carregamento rápido, quando fissuras muito pequenas podem expandir-se para canais mais profundos que degradam permanentemente a bateria.
Por que as rachaduras são tão difíceis de eliminar
“Os eletrólitos sólidos nos quais nós e outros estamos trabalhando são um tipo de cerâmica que permite que os íons de lítio se movam facilmente para frente e para trás, mas são frágeis”, disse Wendy Gu, professora associada de engenharia mecânica e autora sênior do estudo. “Em uma escala incrivelmente pequena, é como os pratos ou tigelas de cerâmica que você tem em casa, que apresentam pequenas rachaduras na superfície.”
Gu observou que eliminar todos os defeitos de fabricação não é realista. “Uma verdadeira bateria de estado sólido consiste em camadas de cátodo-eletrólito-ânodo empilhadas. Seria quase impossível e muito caro fabricá-las sem a menor falha”, disse ela. “Decidimos que uma superfície protetora poderia ser mais realista, e apenas um pouco de prata parece fazer um bom trabalho.”
Interruptor prata-lítio
Estudos anteriores de outros grupos de pesquisa examinaram revestimentos de prata metálica depositados no mesmo material eletrolítico sólido usado no novo estudo. Este material é conhecido como “LLZO” pela combinação de lítio, lantânio, zircônio e oxigênio. Embora os esforços anteriores se concentrassem na prata metálica, a equipe de Stanford adotou uma abordagem diferente, usando uma forma dissolvida de prata que havia perdido um elétron (Ag+).
Esta prata carregada positivamente se comporta de maneira muito diferente da prata metálica sólida. Segundo os pesquisadores, os íons Ag+ são diretamente responsáveis pelo fortalecimento da cerâmica e pela redução de sua tendência a trincas.
Como funciona o tratamento com prata
A equipe depositou uma camada de prata de apenas 3 nanômetros de espessura na superfície das amostras LLZO e depois as aqueceu a 300 graus Celsius (572° Fahrenheit). Quando as amostras foram aquecidas, os átomos de prata moveram-se para a superfície do eletrólito, substituindo os átomos menores de lítio na estrutura cristalina porosa. Este processo estendeu-se aproximadamente 20-50 nanômetros abaixo da superfície.
É importante ressaltar que a prata permaneceu na sua forma iônica com carga positiva, em vez de ser convertida em prata metálica. Os pesquisadores acreditam que isso é muito importante para evitar rachaduras. Em locais onde já existem pequenas falhas, os íons de prata também ajudam a bloquear a entrada de lítio e a formação de estruturas internas prejudiciais.
“Nossa pesquisa mostra que a dopagem de prata em nanoescala pode mudar fundamentalmente a forma como as rachaduras se formam e se propagam em uma superfície eletrolítica, produzindo eletrólitos sólidos robustos e resistentes a falhas para tecnologias de armazenamento de energia de próxima geração”, disse Xin Xu, que liderou a pesquisa como pós-doutorado em Stanford e agora é professor associado do Departamento de Engenharia da Arizona State University.
“Este método pode ser estendido a uma ampla classe de cerâmica. Ele demonstra que revestimentos de superfície ultrafinos podem tornar um eletrólito menos frágil e mais estável sob condições eletroquímicas e mecânicas extremas, como carga e pressão rápidas”, disse Xu, que trabalhou em Stanford no laboratório do professor William Chue, autor sênior do estudo e diretor do Precourt Energy Institute, que faz parte da Escola Dörr de Stanford. Sustentabilidade.
Para medir o quão mais forte o material tratado se tornou, os pesquisadores usaram uma sonda especializada em um microscópio eletrônico de varredura para testar quanta força era necessária para romper a superfície do eletrólito. O material tratado com prata exigiu quase cinco vezes mais pressão para quebrar do que as amostras não tratadas.
O que vem por aí para baterias de estado sólido
Até agora, os experimentos se concentraram em áreas pequenas e localizadas, em vez de células de bateria completas. Ainda não está claro se esta abordagem baseada na prata pode ser dimensionada para baterias maiores, integrada com outros componentes e manter o seu desempenho ao longo de milhares de ciclos de carga.
A equipe agora está trabalhando com células de bateria de estado sólido totalmente em metal de lítio e investigando como a aplicação de pressão mecânica em diferentes ângulos pode prolongar a vida útil da bateria. Eles também estão explorando tipos adicionais de eletrólitos sólidos, incluindo materiais à base de enxofre que podem oferecer melhor estabilidade química quando combinados com lítio.
Os pesquisadores também veem aplicações potenciais além do lítio. As baterias à base de sódio poderiam beneficiar de estratégias semelhantes e ajudar a reduzir as pressões na cadeia de abastecimento associadas à procura de lítio.
A prata pode não ser a única opção viável. Os pesquisadores dizem que outros metais podem funcionar, desde que seus íons sejam maiores do que os íons de lítio que eles substituem na estrutura eletrolítica. O cobre mostrou algum sucesso nos primeiros testes, embora tenha sido menos eficaz que a prata.
O outro autor sênior do estudo com Gu e Chue é Yue Qi, professor de engenharia na Brown University. O principal autor de Stanford, junto com Xu, é Teng Cui, hoje professor assistente na Universidade de Waterloo; Jeff McConaughey, agora engenheiro de pesquisa na Orca Sciences; e o atual estudante de pós-graduação Samuel C. Lee. O ex-aluno da Brown University, Harsh Jagad, agora diretor de tecnologia da Metal Light, Inc., também é um dos principais autores do estudo.
