Pesquisadores do Mellon College of Science e College of Engineering da Carnegie Mellon University desenvolveram um ânodo semilíquido à base de metal de lítio que representa um novo paradigma no projeto de baterias. As baterias de lítio feitas com este novo tipo de eletrodo podem ter uma capacidade maior e ser muito mais seguras do que as baterias de metal de lítio típicas que usam folha de lítio como ânodo.

A equipe de pesquisa interdisciplinar publicou suas descobertas na edição atual da Joule .

As baterias de lítio são um dos tipos mais comuns de bateria recarregável usados ​​na eletrônica moderna devido à sua capacidade de armazenar grandes quantidades de energia. Tradicionalmente, essas baterias são feitas de eletrólitos líquidos combustíveis e dois eletrodos, um ânodo e um cátodo, que são separados por uma membrana. Depois que uma bateria for carregada e descarregada repetidamente, fios de lítio chamados dendritos podem crescer na superfície do eletrodo. Os dendritos podem perfurar a membrana que separa os dois eletrodos. Isso permite o contato entre o ânodo e o cátodo, o que pode causar um curto-circuito na bateria e, no pior caso, pegar fogo.

"Incorporar um ânodo de lítio metálico em baterias de íon-lítio tem o potencial teórico de criar uma bateria com muito mais capacidade do que uma bateria com um ânodo de grafite, "disse Krzysztof Matyjaszewski, J.C. Warner University Professor de Ciências Naturais no Departamento de Química de Carnegie Mellon. "Mas, a coisa mais importante que precisamos fazer é garantir que a bateria que criamos é segura. "

Uma solução proposta para os eletrólitos líquidos voláteis usados ​​nas baterias atuais é substituí-los por eletrólitos sólidos de cerâmica. Esses eletrólitos são altamente condutores, não combustível e forte o suficiente para resistir a dendritos. Contudo, pesquisadores descobriram que o contato entre o eletrólito de cerâmica e um ânodo de lítio sólido é insuficiente para armazenar e fornecer a quantidade de energia necessária para a maioria dos eletrônicos.

Sipei Li, um estudante de doutorado no Departamento de Química da Carnegie Mellon, e Han Wang, um estudante de doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Carnegie Mellon, conseguiram superar essa lacuna criando uma nova classe de material que pode ser usado como ânodo de metal semilíquido.

Trabalhando com Matyjaszewski do Mellon College of Science, líder em química de polímeros e ciência de materiais, e Jay Whitacre, Professor curador em Energia na Faculdade de Engenharia e diretor do Instituto Wilton E. Scott para Inovação em Energia em Carnegie Mellon, que é conhecido por seu trabalho no desenvolvimento de novas tecnologias para armazenamento e geração de energia, Li e Wang criaram uma matriz dupla condutora de polímero / composto de carbono que possui micropartículas de lítio uniformemente distribuídas por toda parte. A matriz permanece fluida em temperatura ambiente, o que permite criar um nível suficiente de contato com o eletrólito sólido. Ao combinar o ânodo de metal semilíquido com um eletrólito de cerâmica sólida à base de granada, eles foram capazes de fazer o ciclo da célula com densidade de corrente 10 vezes maior do que células com um eletrólito sólido e um ânodo de folha de lítio tradicional. Essa célula também tinha um ciclo de vida muito mais longo do que as células tradicionais.

"Esta nova rota de processamento leva a um ânodo de bateria à base de metal de lítio que é fluido e tem segurança e desempenho muito atraentes em comparação com o metal de lítio comum. A implementação de um novo material como este pode levar a uma mudança radical nas baterias recarregáveis ​​à base de lítio, e estamos trabalhando muito para ver como isso funciona em uma variedade de arquiteturas de bateria, "disse Whitacre.

Os pesquisadores acreditam que seu método pode ter impactos de longo alcance. Por exemplo, ele poderia ser usado para criar baterias de alta capacidade para veículos elétricos e baterias especializadas para uso em dispositivos vestíveis que requerem baterias flexíveis. Eles também acreditam que seus métodos podem ser estendidos além do lítio para outros sistemas de bateria recarregável, incluindo baterias de metal de sódio e baterias de metal de potássio e podem ser usadas no armazenamento de energia em escala de rede.