O metal de lítio é um dos candidatos mais promissores para ânodos de bateria de próxima geração devido à sua capacidade específica excepcionalmente alta. Contudo, seu uso difundido é dificultado por um obstáculo desafiador:após vários ciclos de carga-descarga, filamentos fractais chamados dendritos podem crescer através do eletrólito do eletrodo negativo para o positivo e causar curto-circuito na bateria de dentro, representando assim uma grande preocupação de segurança.

Em um artigo publicado em Materiais da Natureza , Venkat Viswanathan, um professor associado do Departamento de Engenharia Mecânica da Carnegie Mellon, e seus coautores abordaram essa questão investigando como um condutor de íons sólidos (SIC) - um componente que pode ser usado como separador entre o ânodo e o eletrólito - pode prevenir os dendritos.

Eles primeiro desenvolveram um modelo teórico para estabelecer as regras de projeto que os SICs devem obedecer para alcançar a estabilidade do ciclo de eletrodeposição. A partir deste modelo, eles aprenderam que esta estabilidade depende principalmente de duas propriedades do SIC:seu módulo de cisalhamento, uma medida de rigidez, e o volume ocupado por um íon de lítio conforme ele se move através do SIC.

Materiais com baixo módulo de cisalhamento e pequeno volume de lítio suprimem dendritos, enquanto materiais com alto módulo e grande volume de lítio os bloqueiam. Isso dá origem a duas regiões de estabilidade:uma supressora de dendritos, e um bloqueio de dendrito. Embora o regime de bloqueio de dendritos já fosse bem conhecido e estudado no campo da eletroquímica, o domínio de supressão de dendritos ainda não havia sido explorado.

Vendo o vasto oceano de oportunidades para avanços científicos dentro desta região de estabilidade anteriormente não reconhecida, através da colaboração com o grupo de Brett Helms no Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), a equipe projetou um SIC composto à base de polímero projetado especificamente para sondar esse regime de supressão de dendritos e validar sua hipótese.

Usando uma série de técnicas computacionais e experimentais, eles demonstraram que este novo material, acessando um domínio de estabilidade anteriormente desconhecido, pode de fato contornar o obstáculo dendrítico que assombra o uso de metal de lítio como um ânodo de alta capacidade.

Seu trabalho pode servir como um trampolim para um maior progresso em direção às baterias da próxima geração, necessário para impulsionar novas tecnologias empolgantes, como carros voadores.

O papel, intitulado "Regras de design quimomecânico universal para condutores de íons sólidos para evitar a formação de dendritos em baterias de metal de lítio, "foi publicado em Materiais da Natureza em abril de 2020.