p Novas pesquisas de engenheiros do MIT e de outros lugares podem levar a baterias que podem embalar mais energia por libra e durar mais, com base no objetivo há muito procurado de usar metal de lítio puro como um dos dois eletrodos da bateria, o ânodo. p O novo conceito de eletrodo vem do laboratório de Ju Li, o Professor de Ciência e Engenharia Nuclear da Battelle Energy Alliance e professor de ciência e engenharia de materiais. É descrito no jornal Natureza , em um artigo de coautoria de Yuming Chen e Ziqiang Wang no MIT, junto com outros 11 no MIT e em Hong Kong, Flórida, e Texas.

p O design é parte de um conceito para o desenvolvimento de baterias de estado sólido seguras, dispensando o líquido ou gel de polímero geralmente usado como material eletrólito entre os dois eletrodos da bateria. Um eletrólito permite que os íons de lítio viajem para frente e para trás durante os ciclos de carga e descarga da bateria, e uma versão totalmente sólida pode ser mais segura do que eletrólitos líquidos, que têm alta volatilidade e têm sido a fonte de explosões em baterias de lítio.

p "Tem havido muito trabalho com baterias de estado sólido, com eletrodos de metal de lítio e eletrólitos sólidos, "Li diz, mas esses esforços enfrentaram vários problemas.

p Um dos maiores problemas é que quando a bateria está carregada, átomos se acumulam dentro do metal de lítio, fazendo com que ele se expanda. O metal então encolhe novamente durante a descarga, à medida que a bateria é usada. Essas mudanças repetidas nas dimensões do metal, algo como o processo de inspiração e expiração, torna difícil para os sólidos manterem contato constante, e tendem a causar a fratura ou descolamento do eletrólito sólido.

p Outro problema é que nenhum dos eletrólitos sólidos propostos é verdadeiramente quimicamente estável enquanto em contato com o metal de lítio altamente reativo, e eles tendem a degradar com o tempo.

p A maioria das tentativas de superar esses problemas tem se concentrado no projeto de materiais de eletrólito sólido que são absolutamente estáveis ​​contra o metal de lítio, o que acaba sendo difícil. Em vez de, Li e sua equipe adotaram um design incomum que utiliza duas classes adicionais de sólidos, "condutores iônico-eletrônicos mistos" (MIEC) e "isoladores de elétrons e íons de lítio" (ELI), que são absolutamente estáveis ​​quimicamente em contato com o metal de lítio.

p Os pesquisadores desenvolveram uma nanoarquitetura tridimensional na forma de uma matriz semelhante a um favo de mel de tubos MIEC hexagonais, parcialmente infundido com o metal de lítio sólido para formar um eletrodo da bateria, mas com espaço extra deixado dentro de cada tubo. Quando o lítio se expande no processo de carregamento, ele flui para o espaço vazio no interior dos tubos, movendo-se como um líquido, embora retenha sua estrutura cristalina sólida. Este fluxo, inteiramente confinado dentro da estrutura em favo de mel, alivia a pressão da expansão causada pelo carregamento, mas sem alterar as dimensões externas do eletrodo ou o limite entre o eletrodo e o eletrólito. O outro material, o ELI, serve como um ligante mecânico crucial entre as paredes do MIEC e a camada de eletrólito sólido.

p "Projetamos esta estrutura que nos dá eletrodos tridimensionais, como um favo de mel, "Li diz. Os espaços vazios em cada tubo da estrutura permitem que o lítio" rasteje para trás "nos tubos, "e assim, não acumula tensão para quebrar o eletrólito sólido. "O lítio em expansão e contração dentro desses tubos se move para dentro e para fora, como os pistões do motor de um carro dentro de seus cilindros. Como essas estruturas são construídas em dimensões em nanoescala (os tubos têm cerca de 100 a 300 nanômetros de diâmetro, e dezenas de mícrons de altura), o resultado é como "um motor com 10 bilhões de pistões, com metal de lítio como fluido de trabalho, "Li diz.

p Como as paredes dessas estruturas semelhantes a favo de mel são feitas de MIEC quimicamente estável, o lítio nunca perde contato elétrico com o material, Li diz. Assim, toda a bateria sólida pode permanecer mecânica e quimicamente estável durante seus ciclos de uso. A equipe provou o conceito experimentalmente, colocar um dispositivo de teste através de 100 ciclos de carga e descarga sem produzir qualquer fraturamento dos sólidos.

p Li diz que embora muitos outros grupos estejam trabalhando no que chamam de baterias sólidas, a maioria desses sistemas funciona melhor com algum eletrólito líquido misturado com o material do eletrólito sólido. "Mas no nosso caso, " ele diz, "é realmente totalmente sólido. Não há nenhum líquido ou gel de qualquer tipo."

p O novo sistema pode levar a ânodos seguros que pesam apenas um quarto do que suas contrapartes convencionais em baterias de íon-lítio, para a mesma quantidade de capacidade de armazenamento. Se combinado com novos conceitos para versões leves do outro eletrodo, o cátodo, este trabalho pode levar a reduções substanciais no peso total das baterias de íon-lítio. Por exemplo, a equipe espera que isso possa levar a celulares que possam ser carregados apenas uma vez a cada três dias, sem tornar os telefones mais pesados ​​ou volumosos.

p Um novo conceito para um cátodo mais leve foi descrito por outra equipe liderada por Li, em um artigo que apareceu no mês passado no jornal Nature Energy , co-autoria do pós-doutorando do MIT Zhi Zhu e do estudante de graduação Daiwei Yu. O material reduziria o uso de níquel e cobalto, que são caros e tóxicos e usados ​​nos cátodos atuais. O novo cátodo não depende apenas da contribuição de capacidade desses metais de transição no ciclo da bateria. Em vez de, dependeria mais da capacidade redox do oxigênio, que é muito mais leve e mais abundante. Mas, neste processo, os íons de oxigênio se tornam mais móveis, o que pode fazer com que escapem das partículas catódicas. Os pesquisadores usaram um tratamento de superfície de alta temperatura com sal fundido para produzir uma camada de superfície protetora em partículas de óxido de metal rico em manganês e lítio, assim, a quantidade de perda de oxigênio é drasticamente reduzida.

p Mesmo que a camada superficial seja muito fina, apenas 5 a 20 nanômetros de espessura em uma partícula de 400 nanômetros de largura, fornece boa proteção para o material subjacente. "É quase como imunização, "Li diz, contra os efeitos destrutivos da perda de oxigênio em baterias usadas em temperatura ambiente. As versões presentes fornecem pelo menos uma melhoria de 50 por cento na quantidade de energia que pode ser armazenada para um determinado peso, com uma estabilidade de ciclismo muito melhor.

p A equipe construiu apenas pequenos dispositivos em escala de laboratório até agora, mas "espero que isso possa ser ampliado muito rapidamente, "Li diz. Os materiais necessários, principalmente manganês, são significativamente mais baratos do que o níquel ou cobalto usado por outros sistemas, portanto, esses cátodos podem custar apenas um quinto do preço das versões convencionais.