Baterias de estado sólido - um novo design de bateria que usa todos os componentes sólidos - ganharam atenção nos últimos anos por causa de seu potencial de reter muito mais energia e, ao mesmo tempo, evitar os desafios de segurança de seus equivalentes baseados em líquido.

Mas construir uma bateria de estado sólido de longa duração é mais fácil falar do que fazer. Agora, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia usaram tomografia computadorizada de raios-X (TC) para visualizar em tempo real como as rachaduras se formam perto das bordas das interfaces entre os materiais nas baterias. As descobertas podem ajudar os pesquisadores a encontrar maneiras de melhorar os dispositivos de armazenamento de energia.

"Baterias de estado sólido podem ser mais seguras do que baterias de íon de lítio e potencialmente reter mais energia, o que seria ideal para veículos elétricos e até aeronaves elétricas, "disse Matthew McDowell, professor assistente na Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff e na Escola de Ciência e Engenharia de Materiais. "Tecnologicamente, é um campo que se move muito rápido, e há muitas empresas interessadas nisso. "

Em uma bateria de íon de lítio típica, a energia é liberada durante a transferência de íons de lítio entre dois eletrodos - um cátodo e um ânodo - por meio de um eletrólito líquido.

Para o estudo, que foi publicado em 4 de junho na revista Cartas de energia ACS e foi patrocinado pela National Science Foundation, a equipe de pesquisa construiu uma bateria de estado sólido na qual um disco sólido de cerâmica foi imprensado entre duas peças de lítio sólido. O disco de cerâmica substituiu o eletrólito líquido típico.

"Descobrir como fazer com que essas peças sólidas se encaixem e se comportem bem por longos períodos de tempo é o desafio, "McDowell disse." Estamos trabalhando em como projetar essas interfaces entre essas peças sólidas para que durem o máximo possível. "

Em colaboração com Christopher Saldana, professor assistente na Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff da Georgia Tech e especialista em imagens de raios-X, os pesquisadores colocaram a bateria sob um microscópio de raios-X e a carregaram e descarregaram, procurando por mudanças físicas indicativas de degradação. Lentamente ao longo de vários dias, um padrão de rachaduras em forma de teia formado ao longo do disco.

Essas rachaduras são o problema e ocorrem juntamente com o crescimento de uma camada de interfase entre o metal de lítio e o eletrólito sólido. Os pesquisadores descobriram que essa fratura durante o ciclo causa resistência ao fluxo de íons.

"Estas são reações químicas indesejadas que ocorrem nas interfaces, "McDowell disse." As pessoas geralmente presumem que essas reações químicas são a causa da degradação da célula. Mas o que aprendemos ao fazer essa imagem é que, neste material específico, não são as próprias reações químicas que são ruins - elas não afetam o desempenho da bateria. O que é ruim é que a célula se quebra, e isso destrói o desempenho da célula. "

Resolver o problema de fraturamento pode ser uma das primeiras etapas para desbloquear o potencial das baterias de estado sólido, incluindo sua alta densidade de energia. A deterioração observada provavelmente afetará outros tipos de baterias de estado sólido, os pesquisadores notaram, portanto, as descobertas podem levar ao design de interfaces mais duráveis.

"Em baterias normais de íon de lítio, os materiais que usamos definem quanta energia podemos armazenar, "McDowell disse." O lítio puro pode conter mais, mas não funciona bem com eletrólito líquido. Mas se você pudesse usar lítio sólido com um eletrólito sólido, esse seria o Santo Graal da densidade de energia. "