p À medida que nosso amor por gadgets cresce, o mesmo acontece com as demandas por baterias mais duradouras. Mas há um problema. p Para fazer uma bateria mais duradoura, precisa ser maior, e maior não é melhor quando se trata de telefones celulares ou carros elétricos - sem falar nos marca-passos.

p As baterias de íon de lítio já têm uma reputação menos que estelar:pense em telefones celulares explodindo ou incêndios em aviões. Além desses problemas existentes, quando os pesquisadores tentam encolher essas baterias sem comprometer o desempenho, os resultados são ainda mais instáveis ​​e sujeitos a curto-circuito; os engenheiros não conseguiram superar esses problemas.

p Pesquisadores da Washington University em St. Louis têm novos insights sobre a causa - ou causas - desses problemas, pavimentando o caminho para os menores, mais seguro, baterias mais densas em energia. O resultado do seu trabalho foi recentemente publicado online na revista Joule .

p Peng Bai, professor assistente na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas, identificou três limites principais de corrente quando se trata dessas baterias de metal de lítio com alta densidade de energia. Acontece que, os engenheiros estavam procurando uma solução para o que acabou sendo três problemas.

p Uma bateria de íon de lítio é composta de três camadas:uma camada de material de baixa voltagem (grafite) chamada ânodo; um de material de alta voltagem (óxido de lítio-cobalto) chamado cátodo; e uma camada de plástico poroso que separa os dois.

p O separador é umedecido por um líquido chamado eletrólito. Quando a bateria descarrega, íons de lítio vazam do ânodo, passando pelo eletrólito líquido, e passar para o cátodo. O processo é revertido conforme a bateria é carregada.

p "Com metade dos materiais do eletrodo hospedeiro de íons de lítio vazios o tempo todo, "Bai disse, "você está desperdiçando metade do seu espaço."

p Os engenheiros sabiam que poderiam construir uma bateria mais densa em energia (uma bateria menor com capacidades de saída semelhantes) descartando parte do peso morto que vem com metade dos materiais hospedeiros sempre vazios. Eles foram minimamente bem-sucedidos ao remover o ânodo de grafite, em seguida, reduzindo os íons de lítio com elétrons durante a recarga, um processo que forma um revestimento fino de metal de lítio.

p “O problema é que o revestimento metálico de lítio não é uniforme, "Bai disse." Pode crescer 'dedos'. "

p Os pesquisadores se referiram a esses dedos como "dendritos". À medida que se espalham a partir do revestimento de metal de lítio, eles podem penetrar no separador da bateria, levando a um curto-circuito.

p Mas nem todos os "dedos" são iguais. "Se você chamar todos eles de dendritos, você está procurando uma solução para resolver três problemas, o que é impossível, "Bai disse." É por isso que depois de tantos anos esse problema nunca foi resolvido. "

p Sua equipe identificou três tipos distintos de dedos, ou modos de crescimento, nesses ânodos de metal de lítio. Eles também delineiam em que corrente cada modo de crescimento aparece.

p "Se você usar corrente muito alta, constrói-se na ponta para produzir uma estrutura semelhante a uma árvore, "Bai disse. Esses são" verdadeiros dendritos "(veja a Figura A).

p Abaixo do limite inferior, você tem bigodes crescendo a partir da raiz (veja a Figura B).

p E dentro desses dois limites existe a transição dinâmica de bigodes para dendritos, que Bai chama de "crescimento superficial" (veja a Figura C).

p Esses crescimentos estão todos relacionados às reações concorrentes na região entre o eletrólito líquido e os depósitos de metal.

p O estudo descobriu que um separador de cerâmica nanoporoso pode bloquear bigodes até uma certa densidade de corrente, depois disso, os crescimentos da superfície podem penetrar lentamente no separador. Com uma corrente forte o suficiente, forma de "dendritos verdadeiros", que pode facilmente e muito rapidamente penetrar no separador para causar um curto na bateria.

p Neste ponto, Bai disse, "nossa célula transparente única revelou que a voltagem da bateria pode parecer normal, mesmo que o separador tenha sido penetrado por um filamento de metal de lítio. Sem ver o que está acontecendo lá dentro, você pode ser facilmente enganado pela voltagem aparentemente razoável, mas, realmente, sua bateria já falhou. "

p Para construir um cofre, eficiente, bateria confiável com ânodo de metal de lítio, os três modos de crescimento precisam ser controlados por três métodos diferentes.

p Isso será um desafio, considerando que os consumidores querem baterias que possam armazenar mais energia, e, ao mesmo tempo, deseja que sejam carregados mais rapidamente. A combinação desses dois inevitavelmente produz uma corrente de carga cada vez mais alta, que pode exceder uma das correntes críticas identificadas pela equipe de Bai.

p E, as baterias podem degradar. Quando eles fazem, as correntes críticas identificadas para a bateria nova não se aplicam mais; o limite torna-se mais baixo. Nesse ponto, dada a mesma corrente de carga rápida, há uma probabilidade maior de curto-circuito da bateria.

p "A operação da bateria é altamente dinâmica, em uma gama muito ampla de correntes. No entanto, sua disposição varia dramaticamente ao longo do ciclo de vida ", disse Bai." É por isso que isso se torna necessário. "