A maioria das baterias de íon de lítio atuais, que fornecem energia para tudo, de carros a telefones, use um líquido como eletrólito entre dois eletrodos. Usar um eletrólito sólido, em vez disso, pode oferecer grandes vantagens para a segurança e capacidade de armazenamento de energia, mas as tentativas de fazer isso enfrentaram desafios inesperados.

Os pesquisadores agora relatam que o problema pode ser uma interpretação incorreta de como essas baterias falham. As novas descobertas, que poderia abrir novos caminhos para o desenvolvimento de baterias de lítio com eletrólitos sólidos, são relatados no jornal Materiais de energia avançados , em um artigo de Yet-Ming Chiang, o professor de cerâmica da Kyocera no MIT; W. Craig Carter, o Professor POSCO de Ciência e Engenharia de Materiais no MIT; e outros oito.

O eletrólito em uma bateria é o material entre os eletrodos positivo e negativo - uma espécie de enchimento no sanduíche da bateria. Sempre que a bateria é carregada ou descarregada, íons (átomos ou moléculas eletricamente carregados) atravessam o eletrólito de um eletrodo para o outro.

Mas esses eletrólitos líquidos podem ser inflamáveis, e eles foram responsáveis ​​por alguns incêndios causados ​​por essas baterias. Eles também são propensos à formação de dendritos - finos, projeções de metal em forma de dedo que se acumulam a partir de um eletrodo e, se eles alcançam todo o outro eletrodo, pode criar um curto-circuito que pode danificar a bateria.

Os pesquisadores tentaram contornar esses problemas usando um eletrólito feito de materiais sólidos, como algumas cerâmicas. Isso poderia eliminar o problema de inflamabilidade e oferecer outros grandes benefícios, mas os testes mostraram que tais materiais tendem a funcionar de forma um tanto errática e são mais propensos a curto-circuitos do que o esperado.

O problema, de acordo com este estudo, é que os pesquisadores têm se concentrado nas propriedades erradas em sua busca por um material eletrolítico sólido. A ideia predominante era que a firmeza ou elasticidade do material (uma propriedade chamada módulo de cisalhamento) determinava se os dendritos podiam penetrar no eletrólito. Mas a nova análise mostrou que é a lisura da superfície que mais importa. Cortes e arranhões microscópicos na superfície do eletrólito podem fornecer uma base para os depósitos metálicos começarem a entrar à força, os pesquisadores descobriram.

Isso sugere, Chiang diz, que simplesmente focar em obter superfícies mais lisas poderia eliminar ou reduzir muito o problema de formação de dendritos em baterias com eletrólito sólido. Além de evitar o problema de inflamabilidade associado aos eletrólitos líquidos, essa abordagem também possibilitaria o uso de um eletrodo sólido de metal de lítio. Isso poderia potencialmente dobrar a capacidade de energia de uma bateria de íon de lítio, ou seja, sua capacidade de armazenar energia para um determinado peso, o que é crucial para veículos e dispositivos portáteis.

"A formação de dendritos, levando a eventuais falhas de curto-circuito, tem sido a principal razão pela qual as baterias recarregáveis ​​de metal de lítio não foram possíveis, "Chiang explica. (Eletrodos de metal de lítio são comumente usados ​​em baterias não recarregáveis, mas isso ocorre porque os dendritos só se formam durante o processo de carregamento.)

O problema da formação de dendritos em baterias recarregáveis ​​de lítio foi reconhecido pela primeira vez no início dos anos 1970, Chiang diz, "e 45 anos depois esse problema ainda não foi resolvido. Mas o objetivo ainda é tentador, "devido ao potencial de dobrar a capacidade de uma bateria com o uso de eletrodos de metal de lítio.

Nos últimos anos, vários grupos têm tentado desenvolver eletrólitos sólidos como forma de possibilitar o uso de eletrodos de metal de lítio. Existem dois tipos principais sendo trabalhados, Chiang diz:sulfetos de fósforo de lítio, e óxidos de metal. Com todos esses esforços de pesquisa, um dos pensamentos predominantes era que o material precisava ser rígido, não elástico. Mas esses materiais tendem a mostrar resultados inconsistentes e confusos em testes de laboratório.

A ideia fazia sentido, Chiang diz - um material mais rígido deve ser mais resistente a algo que tenta pressionar sua superfície. Mas o novo trabalho, em que a equipe testou amostras de quatro variedades diferentes de materiais de eletrólitos sólidos potenciais e observou os detalhes de como eles atuaram durante os ciclos de carga e descarga, mostraram que a forma como os dendritos realmente se formam em materiais sólidos rígidos segue um processo completamente diferente do que aqueles que se formam em eletrólitos líquidos.

Nas superfícies sólidas, o lítio de um dos eletrodos começa a ser depositado, por meio de uma reação eletroquímica, em qualquer pequeno defeito que exista na superfície do eletrólito, incluindo minúsculos poços, rachaduras, e arranhões. Uma vez que o depósito inicial se forma em tal defeito, ele continua a crescer - e, surpreendentemente, o acúmulo se estende desde a ponta do dendrito, não de sua base, à medida que força seu caminho para o sólido, agindo como uma cunha e abrindo uma fenda cada vez maior.

Esses materiais são "muito sensíveis ao número e tamanho dos defeitos de superfície, não às propriedades de massa "do material, Chiang diz. “É a propagação de fissuras que leva ao fracasso. ... Isso nos diz que devemos nos concentrar mais na qualidade das superfícies, sobre como podemos fazer essas películas de eletrólito sólidas e sem defeitos. "

"Acredito que este trabalho inovador e de alta qualidade redefinirá o pensamento sobre como projetar baterias de estado sólido de metal de lítio práticas, "diz Alan Luntz, um professor consultor para pesquisa de baterias de metal-ar na Universidade de Stanford, que não esteve envolvido nesta pesquisa. "Os autores mostraram que um mecanismo diferente governa o curto-circuito de metal de lítio em baterias de lítio de estado sólido do que em baterias de metal de lítio líquidas ou poliméricas, onde os dendritos se formam. ... Isso implica que, se as baterias de metal de lítio em estado sólido tiverem densidades de corrente práticas, então, a minimização cuidadosa de todos os defeitos estruturais na interface de metal de lítio e eletrólito é essencial, " ele diz.

Luntz acrescenta, "Considero que é uma contribuição extremamente importante para o objetivo de desenvolver todas as baterias de estado sólido práticas e seguras."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.