Descoberta da verdadeira forma do lítio pode viabilizar potentes baterias de lítio metálico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/08/2023

Sem corrosão, o lítio assume uma forma inédita, uma minúscula figura de 12 lados.
[Imagem: Li Lab/UCLA]

Baterias de lítio metálico

As atuais baterias de íons de lítio são descendentes das baterias de lítio metálico, que nunca chegaram ao mercado por uma boa razão: Embora consigam reter o dobro da energia que as baterias de íons de lítio, as baterias de lítio metálico também apresentam um risco muito maior de pegar fogo ou mesmo explodir.

O lítio metálico reage tão facilmente com produtos químicos que, em condições normais, a corrosão se forma quase imediatamente enquanto o metal está sendo depositado em uma superfície, como um eletrodo - e corrosão acelerada é igual a combustão.

Mas talvez haja um modo de resolver essa deficiência da tecnologia original e tirar proveito de sua densidade de energia muito superior.

Uma equipe da Universidade da Califórnia de Los Angeles desenvolveu uma técnica que evita essa corrosão. Eles demonstraram que, na ausência desse fenômeno, os átomos de lítio se juntam em uma forma surpreendente, um dodecaedro rômbico, uma figura de 12 lados semelhante aos dados usados em jogos de RPG.

"Existem milhares de artigos sobre lítio metálico, e a maioria das descrições da sua estrutura é qualitativa, como 'robusto' ou 'semelhante a uma coluna'," explicou o professor Yuzhang Li. "Foi surpreendente para nós descobrir que, quando evitamos a corrosão da superfície, em vez dessas formas mal definidas, vimos um poliedro singular que corresponde com as previsões teóricas baseadas na estrutura cristalina do metal. Em última análise, este estudo nos permite revisar como entendemos as baterias de lítio-metal."

No alto, uma renderização da forma do dodecaedro rômbico que os átomos de lítio formam com a técnica para evitar a corrosão, e quatro ilustrações mostrando as formas irregulares que aparecem nas condições normais, com corrosão.
[Imagem: Li Lab/UCLA]

Verdadeira forma do lítio

Em escala microscópica, uma bateria de íons de lítio armazena átomos de lítio carregados positivamente em uma estrutura porosa de carbono semelhante a uma gaiola, que reveste um eletrodo. Já uma bateria de lítio metálico tem todo o eletrodo revestido com lítio metálico, o que permite acomodar 10 vezes mais lítio no mesmo espaço, o que por sua vez explica o aumento no desempenho, mas também no perigo de incêndio.

O processo de aplicação do revestimento de lítio metálico é baseado em uma técnica de mais de 200 anos, que emprega eletricidade e soluções de sais chamados eletrólitos. Frequentemente, o lítio forma filamentos ramificados microscópicos com pontas salientes. Em uma bateria, se dois desses picos se cruzarem, o resultado é um curto-circuito que pode causar uma explosão. Em menor escala, isso também ocorre nas baterias de íons de lítio atuais, com os chamados dendritos, mas o risco disso acontecer é menor.

A descoberta da verdadeira forma do lítio - na ausência de corrosão - sugere que o risco de explosão das baterias de lítio metálico pode ser largamente diminuído porque os átomos se acumulam em uma estrutura ordenada, e não mais em uma estrutura que apresenta cruzamentos.

Técnica sem corrosão

A visão predominante até agora era que a escolha dos eletrólitos em solução determinaria a forma que o lítio assumiria em uma superfície - se a estrutura se assemelha a aglomerados ou a colunas. Mas a equipe teve uma ideia diferente.

"Queríamos ver se poderíamos depositar lítio tão rapidamente que superássemos a reação que causa o filme de corrosão," disse o Xintong Yuan, responsável por todos os experimentos. "Dessa forma, poderíamos ver como o lítio quer crescer na ausência desse filme."

Yuan desenvolveu uma nova técnica para depositar lítio mais rapidamente do que a corrosão se forma. Isso foi feito passando a corrente elétrica através de um eletrodo muito menor, para empurrar a eletricidade para fora mais rapidamente - da mesma forma que bloquear parcialmente o bico de uma mangueira de jardim faz com que a água saia com mais força.

Como acelerar demais o processo cria as mesmas estruturas pontiagudas que causam curtos-circuitos, a equipe chegou a um equilíbrio ajustando a forma do seu minúsculo eletrodo, criando um processo livre de corrosão.

O lítio formou dodecaedros minúsculos - não maiores que 2 milionésimos de metro, ou aproximadamente o comprimento médio de uma única bactéria - em todos os casos.

O próximo passo será testar a técnica em maior escala, fabricando protótipos de novas baterias de lítio metálico e realizando testes exaustivos, para garantir que houve de fato uma diminuição no risco de incêndio ou explosão.

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