Bateria de lítio metálico recarrega em 10 minutos e dura 6.000 ciclos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/01/2024

Embora experimentais, as baterias em formato de bolsa já estão no formato industrial.
[Imagem: Luhan Ye et al. - 10.1038/s41563-023-01722-x]

Bateria de lítio sólido

Engenheiros da Universidade de Harvard, nos EUA, apresentaram o protótipo de uma bateria de lítio metálico que pode ser carregada e descarregada pelo menos 6.000 vezes - seis vezes mais do que a marca tipicamente considerada para que uma bateria seja comercializada - e que pode ser recarregada em questão de minutos.

Ao contrário das atuais baterias de íons de lítio, as de lítio metálico são baterias de estado sólido, podendo reter o dobro da energia que as primeiras. Infelizmente, essas baterias de lítio metálico também apresentam um risco muito maior de pegar fogo ou mesmo explodir, um problema que tem impedido sua chegada ao mercado.

"As baterias de ânodo de lítio metálico são consideradas o Santo Graal das baterias porque têm dez vezes a capacidade dos ânodos de grafite comerciais e podem aumentar drasticamente a autonomia dos veículos elétricos," disse o professor Xin Li. "Nossa pesquisa é um passo importante em direção a baterias de estado sólido mais práticas para aplicações industriais e comerciais."

Micropartículas de silício (Si) evitam a formação dos dendritos, que destroem as baterias.
[Imagem: Luhan Ye et al. - 10.1038/s41563-023-01722-x]

Dendritos

Os culpados pela redução na vida útil das baterias - e eventualmente por fazê-las pegar fogo e explodir - são os dendritos, minúsculas estruturas parecidas com raízes que se acumulam através do eletrólito, colocando a bateria em curto-circuito.

Inicialmente, a equipe descobriu uma maneira de lidar com os dendritos usando uma estrutura multicamadas, que intercala diferentes materiais com estabilidades variadas entre o ânodo e o cátodo. Este design multicamadas e multimateriais evita a penetração dos dendritos de lítio, não impedindo-os completamente, mas ao menos controlando-os e evitando seu crescimento demasiado.

Agora eles conseguiram parar completamente os dendritos. Para isso, foram usadas micropartículas de silício no ânodo, inibindo a reação de litiação e facilitando a criação de uma camada galvânica homogênea, formada por uma espessa camada de lítio metálico.

Os dendritos criam raízes e destroem a bateria por meio de um processo chamado eletrodeposição, ou galvanização, que cria uma espécie de revestimento de lítio metálico no ânodo, com uma superfície irregular e não homogênea, parecida com a placa que eventualmente se forma em nossos dentes. Quando a bateria é usada, esse revestimento precisa ser removido do ânodo; contudo, se o revestimento é irregular, o processo de remoção pode ser lento e resultar em buracos que induzem um revestimento ainda mais irregular na próxima carga.

Neste novo projeto, quando os íons de lítio se movem do cátodo para o ânodo durante o carregamento, a reação de litiação fica restrita à região superficial, e os íons se ligam à superfície das partículas de silício, mas não penetram mais. Isto é marcadamente diferente da química das baterias de íons de lítio com eletrólito líquido, nas quais os íons de lítio penetram através de uma reação de litiação profunda e, por fim, destroem as partículas de silício no ânodo.

"Em nosso projeto, o lítio metálico envolve a partícula de silício, como uma casca dura de chocolate em torno de um núcleo de avelã em uma trufa de chocolate," comparou Li.

Essas partículas revestidas criam uma superfície homogênea através da qual a densidade de corrente é distribuída uniformemente, evitando o crescimento de dendritos. E, como o revestimento e sua remoção podem ocorrer rapidamente em uma superfície homogênea, a bateria pode ser recarregada em apenas 10 minutos.

Ao detalhar o processo, a equipe abriu caminho para o uso de outros materiais nas baterias de estado sólido.
[Imagem: Luhan Ye et al. - 10.1038/s41563-023-01722-x]

Durável

Os pesquisadores construíram uma versão da bateria em forma de bolsa - do tamanho de um selo postal - que é 10 a 20 vezes maior do que a célula tipo moeda fabricada na maioria dos laboratórios universitários.

A bateria manteve 80% de sua capacidade após 6.000 ciclos, superando outras baterias tipo bolsa no mercado atualmente.

A equipe também caracterizou as propriedades que permitem ao silício restringir a difusão do lítio para facilitar o processo dinâmico, favorecendo a deposição eletrogalvânica homogênea do metal. Eles então definiram um descritor de propriedade exclusivo para descrever esse processo e o calcularam para todos os materiais inorgânicos conhecidos. Com isto, a equipe revelou dezenas de outros materiais que podem produzir desempenho semelhante, que agora poderão ser testados em laboratório.

"Pesquisas anteriores descobriram que outros materiais, incluindo a prata, poderiam servir como bons materiais no ânodo para baterias de estado sólido," disse Li. "Nossa pesquisa explica um possível mecanismo subjacente do processo e fornece um caminho para identificar novos materiais para o projeto de baterias."

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