Baterias totalmente em estado sólido, um projeto de bateria composto de todos os componentes sólidos, ganharam atenção como o próximo grande avanço além das baterias de íon de lítio por causa de seu potencial para armazenar mais energia e, ao mesmo tempo, ser mais seguro para operar. Quando capaz de ser produzido em quantidades comerciais, as baterias de estado sólido revolucionariam os veículos elétricos (EVs), aumentando efetivamente o alcance dirigível ou diminuindo significativamente o volume e o peso.

No entanto, as baterias de estado sólido podem falhar após o ciclo (carga e descarga repetidas) em correntes práticas, que tem sido uma das barreiras que impedem sua comercialização em massa.

Em um novo artigo publicado por Materiais da Natureza , intitulado "Corrente crítica de decapagem leva à formação de dendritos em placas de células de eletrólito sólido de ânodo de lítio, "Os pesquisadores da Faraday Institution da University of Oxford deram um passo à frente na compreensão dos mecanismos pelos quais as baterias de estado sólido falham - um pré-requisito necessário para evitar tais falhas.

Os dendritos são redes ramificadas de lítio que crescem através do sólido, cerâmica, eletrólito durante o carregamento de uma bateria, causando um curto-circuito.

"Esta pesquisa acrescenta ao nosso conhecimento fundamental por que as baterias de estado sólido se comportam dessa maneira. Acreditamos que nossa compreensão melhorada ajudará a informar abordagens para evitar alguns dos problemas no ânodo de metal de lítio em células de eletrólito sólido, "comentou o professor Peter G. Bruce, dos Departamentos de Materiais e Química da University of Oxford, e Investigador Principal do projeto SOLBAT da Faraday Institution, cuja equipe liderou a pesquisa.

A criação de vazio no ânodo das células de estado sólido foi reconhecida há muito tempo, mas seu papel na formação de dendritos não foi compreendido. O estudo usa uma combinação de técnicas eletroquímicas e de imagem de ponta para formar uma compreensão fundamental da formação de vazios em função da ciclagem e de seu papel nos dendritos e na falha celular.

Significativamente, os parâmetros no modelo de falha se correlacionam com as principais propriedades físicas que podem ser usadas como "alavancas" para suprimir a formação de vazio e falha celular.

“É a chave para quebrar as barreiras científicas que impedem a progressão para o mercado de tecnologias que permitirão nossa visão do futuro da mobilidade. O estudo dos pesquisadores de Oxford é um dos primeiros exemplos de um avanço científico para o qual a Faraday Institution foi criada dirigir, "disse Tony Harper, Diretor do ISCF Faraday Battery Challenge no UK Research &Innovation.

A pesquisa:importância da densidade crítica de corrente no stripping

Um desafio bem conhecido enfrentado pelos cientistas que estudam baterias de estado sólido é evitar o crescimento de dendritos à medida que as baterias são alternadas entre um estado carregado e descarregado (como teriam que fazer repetidamente se fossem usadas para alimentar EVs).

Outro problema significativo é a formação de vazio entre o eletrólito sólido e o ânodo de lítio (eletrodo carregado negativamente) durante a remoção (descarga de uma bateria), o que leva a uma área de contato reduzida entre essas duas partes da célula da bateria.

É difícil separar o revestimento de lítio da decapagem usando um experimento com uma célula de bateria contendo os dois eletrodos usuais. Neste estudo, os pesquisadores usaram células de três eletrodos para estudar separadamente os processos de galvanização e remoção de metal de lítio na interface metal / cerâmica de lítio no ciclo da bateria. Argirodita, Li6PS5Cl, foi escolhido como o eletrólito sólido. Esses sulfetos têm maior condutividade do que os óxidos e estão sendo buscados como o eletrólito de escolha por várias empresas que tentam comercializar baterias de estado sólido. A argirodita tem a vantagem de ser menos quebradiça do que outros sulfetos altamente condutores.

Os pesquisadores descobriram que, se a formação de dendritos deve ser evitada em células de bateria de estado sólido, é vital fazer o ciclo das células abaixo da densidade de corrente crítica na qual os vazios começam a se formar na interface de metal de lítio / eletrólito sólido durante a separação de lítio (CCS). Este é o caso mesmo quando a densidade de corrente está abaixo do limite para a formação de dendritos no revestimento. Quando a densidade de corrente é maior do que CCS, vazios se acumulam no ciclismo, a área de contato de lítio / eletrólito sólido diminui correspondentemente e, como resultado, a densidade de corrente local aumenta até atingir um valor em que os dendritos se formam no revestimento, levando a um curto-circuito e falha de célula. Pode levar vários ciclos, mas a pesquisa demonstra que a falha celular é inevitável se a densidade de corrente geral for maior do que CCS. Esses resultados mostram que não é apenas a densidade de corrente para a formação de dendritos que é importante para atingir o ciclo de células totalmente em estado sólido em densidades de corrente práticas; correntes de remoção também são importantes.

Os pesquisadores também concluíram que a fluência do metal de lítio é o principal mecanismo de transporte do metal de lítio na interface.

A equipe que trabalhou nesta descoberta incluiu uma mistura de teóricos e experimentalistas, no tipo de ambiente de pesquisa multidisciplinar que a instituição Faraday promove.

Os prêmios de desenvolver uma bateria comercial totalmente de estado sólido para veículos elétricos

Pequena, não recarregável, baterias de estado sólido estão crescendo em uso comercial, por exemplo, em implantes médicos, como monitoramento cardíaco. Contudo, permanecem desafios consideráveis ​​associados à fabricação de baterias de estado sólido na escala necessária para uso em EVs, e para garantir que tais dispositivos operem com segurança e com níveis de desempenho aceitáveis ​​durante a vida útil do EV.

As baterias de íon de lítio atuais usadas em EVs contêm um eletrólito líquido orgânico inflamável, através da qual os íons de lítio que carregam passam durante o carregamento e o descarregamento da bateria. Este líquido apresenta uma preocupação de segurança inerente (embora bem gerenciada). A substituição do eletrólito líquido por um sólido eliminaria esse risco de incêndio.

No mundo todo, esforço científico significativo está sendo despendido para desenvolver novos compostos químicos de bateria que atingiriam o desempenho da bateria (densidade de potência e densidade de energia) que daria uma experiência de direção EV alinhada com as expectativas de dirigir carros com motores de combustão interna. A eliminação da necessidade de um eletrólito líquido seria um pré-requisito para o desenvolvimento de baterias com um ânodo de metal de lítio, o que poderia desbloquear melhorias significativas de desempenho.