Do que serão feitas as baterias do futuro? Depende de onde você irá usá-las

Com informações da EMPA - 20/12/2023

As baterias de estado sólido são promissoras, mas ainda há desafios a serem vencidos.
[Imagem: Huanyu Zhang et al. - 10.1016/j.xcrp.2023.101473]

Bateria para mobilidade e bateria estacionária

Quais são as características de uma boa bateria? É a sua capacidade? Quão rápido ela carrega? Ou seu preço? A resposta depende de onde a bateria é usada.

Duas áreas de aplicação das baterias recarregáveis são cruciais para a transição para as energias renováveis. Uma delas é a eletromobilidade, ou eletrificação dos transportes; a outra é o chamado armazenamento estacionário, que armazena eletricidade proveniente de fontes de energia renováveis, como a eólica e a solar. As baterias para carros elétricos devem ser compactas e leves, ter alta capacidade e recarregar o mais rápido possível; as baterias estacionárias podem ocupar mais espaço, mas só serão rentáveis se forem tão baratas quanto possível.

Em essência, toda bateria consiste em um cátodo, um ânodo e um eletrólito. Nas baterias convencionais de íons de lítio, o ânodo é feito de grafite e o material do cátodo é um óxido misto de lítio e outros metais, como o óxido de lítio-cobalto(III). Os eletrólitos são usados como transmissores dos íons de lítio do cátodo para o ânodo e vice-versa, dependendo se a célula está sendo recarregada ou usada.

Quando se trata de baterias para eletromobilidade, é necessária uma alta densidade de energia. "Com um ânodo feito de lítio metálico puro em vez de grafite, poderíamos armazenar muitas vezes mais energia numa célula do mesmo tamanho," explica Kostiantyn Kravchyk, do Laboratório Federal Suíço de Ciência e Tecnologia de Materiais (EMPA). No entanto, o lítio não é arrancado e depositado uniformemente quando a célula é carregada e descarregada. Isso resulta na formação dos chamados dendritos, estruturas ramificadas de lítio metálico que podem causar curto-circuito na bateria.

Síntese do eletrólito bicamada para baterias de estado sólido.
[Imagem: Huanyu Zhang et al. - 10.1016/j.xcrp.2023.101473]

Baterias de estado sólido

Uma maneira de retardar o crescimento dos dendritos é usar eletrólitos sólidos. Nas baterias de estado sólido, no lugar do eletrólito líquido é uma camada sólida de material que conduz os íons de lítio do cátodo para o ânodo e vice-versa.

Os requisitos para o material eletrolítico são altos. "As pessoas falam sobre recarregar baterias em dez a quinze minutos," comenta Kravchyk. "Isso requer uma densidade de corrente muito alta, na qual se formam dendritos mesmo em baterias de estado sólido." - a densidade de corrente é a razão entre a corrente e a área através da qual ela flui. Uma outra questão é que a remoção e deposição irregular do lítio cria vazios na fronteira entre o eletrodo e o eletrólito sólido, reduzindo a área de contato disponível e aumentando ainda mais a densidade de corrente.

Kravchyk e seus colegas refinaram agora um eletrólito sólido promissor: O material, conhecido como LLZO (óxido de lítio, lantânio e zircônio), possui alta condutividade iônica e estabilidade química, propriedades ideais para uso em baterias.

"Nós fizemos uma membrana LLZO de duas camadas que consiste em uma camada densa e outra porosa," explica o pesquisador. Se o lítio for armazenado nos poros, cria-se uma área de contato muito grande entre o lítio e o eletrólito, mantendo baixa a densidade de corrente. A camada densa garante que nenhum dendrito possa crescer rumo ao outro eletrodo e causar um curto-circuito. Os pesquisadores também pensaram na relação custo-benefício: Eles desenvolveram um processo simples, barato e escalonável para produzir as membranas de bicamada.

As baterias estacionárias tiveram uma solução muito mais barata: O ferro.
[Imagem: Huanyu Zhang et al. - 10.1016/j.xcrp.2023.101473]

Solução para as baterias estacionárias

Os pesquisadores adotaram uma abordagem muito diferente para o armazenamento estacionário de energia renovável. "A métrica mais importante para o armazenamento estacionário é o preço," explica Kravchyk. As baterias de íons de lítio usadas hoje para armazenamento estacionário são comparativamente caras. "É por isso que a maior parte das necessidades de armazenamento estacionário continua sendo atendida pela tecnologia hidrelétrica de armazenamento por bombeamento, embora ela tenha uma densidade de energia muito baixa em comparação com as baterias," detalhou o pesquisador.

Um dos maiores fatores influenciando o custo das baterias estacionárias de íons de lítio são os materiais usados para fabricá-las. Além do lítio, são necessários cobalto e níquel para o cátodo. Por outro lado, a busca por melhores materiais catódicos rapidamente levou os pesquisadores a um dos elementos mais comuns na crosta terrestre: O ferro.

Para o cátodo, os pesquisadores combinaram o metal barato com flúor na forma de hidroxifluoreto de ferro(III). "As abordagens anteriores para fabricar uma bateria baseada em fluoretos de ferro dependiam da conversão química," explica Kravchyk. Isso envolve a conversão de íons de ferro em ferro metálico. "Esse processo não é muito estável. Idealmente, os íons simplesmente se movem de um pólo para outro sem sofrer grandes transformações estruturais," completou.

Isso é um desafio para os pesquisadores, já que os fluoretos apresentam baixa condutividade, tanto para os elétrons quanto para os íons de lítio. Mas a equipe de Kravchyk tem a solução: Usando um processo simples e barato, eles deram ao seu hidroxifluoreto de ferro(III) uma estrutura cristalina particular. Essa chamada "estrutura de pirocloro" contém canais em seu interior que conduzem os íons de lítio - pirocloro é o principal mineral de nióbio.

"Conseguimos alcançar um desempenho comparável a um preço muito mais baixo com a nossa bateria," disse Kravchyk. "Estamos totalmente surpresos que quase ninguém tenha explorado o desenvolvimento da síntese de baixo custo deste material promissor até agora."

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