Bateria de metal de lítio totalmente sólido de alta densidade de energia que emprega hidretos complexos. Crédito:Sangryun Kim e Shin-ichi Orimo
Cientistas da Tohoku University e da High Energy Accelerator Research Organization desenvolveram um novo condutor superiônico de hidreto de lítio complexo que pode resultar em baterias de estado sólido com a maior densidade de energia até hoje. Os pesquisadores dizem que o novo material, conseguido projetando estruturas de aglomerados de hidrogênio (ânions complexos), mostra uma estabilidade marcadamente alta contra o metal de lítio, o que o tornaria o melhor material de ânodo para baterias totalmente sólidas.
As baterias totalmente de estado sólido que incorporam um ânodo de metal de lítio têm o potencial de resolver os problemas de densidade de energia das baterias convencionais de íons de lítio. Mas até agora, seu uso em células práticas tem sido limitado pela alta resistência à transferência de íons de lítio, causada principalmente pela instabilidade do eletrólito sólido contra o metal de lítio. Este novo eletrólito sólido que exibe alta condutividade iônica e alta estabilidade contra metal de lítio, portanto, representa um verdadeiro avanço para baterias totalmente de estado sólido que usam um ânodo de metal de lítio.
"Esperamos que este desenvolvimento não inspire apenas esforços futuros para encontrar condutores superiônicos de lítio baseados em hidretos complexos, mas também abre uma nova tendência no campo de materiais eletrolíticos sólidos que podem levar ao desenvolvimento de dispositivos eletroquímicos de alta densidade de energia, "disse Sangryun Kim do grupo de pesquisa de Shin-ichi Orimo na Universidade de Tohoku.
Fundo:
As baterias totalmente em estado sólido são candidatas promissoras para resolver as desvantagens intrínsecas das baterias de íon-lítio atuais, como vazamento de eletrólito, inflamabilidade e densidade de energia limitada. Acredita-se que o metal de lítio é o material de ânodo definitivo para baterias totalmente sólidas porque tem a maior capacidade teórica (3860 mAh g -1 ) e o potencial mais baixo (-3,04 V vs. eletrodo de hidrogênio padrão) entre os materiais anódicos conhecidos.
Eletrólitos sólidos condutores de íons de lítio são um componente-chave de baterias totalmente de estado sólido porque a condutividade iônica e a estabilidade do eletrólito sólido determinam o desempenho da bateria. O problema é que a maioria dos eletrólitos sólidos existentes tem instabilidade química / eletroquímica e / ou contato físico deficiente contra o metal de lítio, causando inevitavelmente reações colaterais indesejadas na interface. Essas reações colaterais resultam em um aumento na resistência interfacial, degradando muito o desempenho da bateria durante ciclos repetidos.
Conforme revelado por estudos anteriores, que propôs estratégias como a liga do metal de lítio e modificação da interface, este processo de degradação é muito difícil de tratar porque sua origem é a alta reatividade termodinâmica do ânodo de metal de lítio com o eletrólito. Os principais desafios para usar o ânodo de metal de lítio são a alta estabilidade e alta condutividade do íon de lítio do eletrólito sólido.
"Hidretos complexos têm recebido muita atenção ao abordar os problemas associados ao ânodo de metal de lítio por causa de sua excelente estabilidade química e eletroquímica em relação ao ânodo de metal de lítio, "disse Kim." Mas por causa de sua baixa condutividade iônica, o uso de hidretos complexos com o ânodo de metal de lítio nunca foi tentado em baterias práticas. Portanto, ficamos muito motivados para ver se o desenvolvimento de hidretos complexos que exibem condutividade superiônica de lítio à temperatura ambiente pode permitir o uso de ânodo de metal de lítio. E funcionou. "