O armazenamento de eletricidade em baterias tem uma demanda cada vez maior por smartphones, laptops, carros e a rede elétrica. As baterias de estado sólido estão entre as tecnologias de próxima geração mais promissoras porque oferecem um nível mais alto de segurança e vida potencialmente mais longa.

O Centro Conjunto para Pesquisa de Armazenamento de Energia (JCESR) fez avanços significativos com baterias de estado sólido como sucessoras das baterias de íon de lítio (Li-ion) de hoje. Um grande desafio com baterias de estado sólido é aumentar a difusividade de íons de lítio no eletrólito de estado sólido, que normalmente é mais lento do que os eletrólitos orgânicos líquidos agora usados ​​em baterias de íon-lítio.

Linda Nazar do JCESR, um importante professor da Universidade de Waterloo, e Zhizhen Zhang, seu associado de pesquisa de pós-doutorado, publicou sua pesquisa sobre como aumentar a mobilidade de íons de lítio em baterias de estado sólido usando o efeito de roda de pás, que é o movimento coordenado dos átomos, em um artigo intitulado:"Objetivando a condutividade supiônica à temperatura ambiente ativando a rotação do ânion em condutores de íons rápidos" em 3 de junho em Matéria , um jornal mensal de ciência de materiais. JCESR é um Centro de Inovação em Energia liderado pelo Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE). A Universidade de Waterloo é um dos 18 parceiros do JCESR.

Baterias de estado sólido, usando eletrólitos sólidos no lugar dos eletrólitos orgânicos líquidos usuais, surgiram como substitutos promissores para as baterias de íon de lítio de hoje, de acordo com Nazar.

"Eles oferecem o potencial de baterias mais seguras e duradouras que podem fornecer densidade de energia mais alta, importante para uma ampla variedade de aplicações de armazenamento de energia eletroquímica, como veículos, robôs, drones e mais, "disse Nazar." Como o componente mais importante em baterias de estado sólido, o eletrólito sólido determina sua segurança e estabilidade de ciclo em grande medida. "

Uma reação química indesejada, chamada de reação térmica descontrolada, levou a incêndios e explosões envolvendo as baterias de íon de lítio atuais, que continuam a queimar até ficarem sem combustível. Por causa desses riscos, O JCESR busca eliminar o eletrólito orgânico líquido interno, substituindo-o por um sólido.

Muito poucos eletrólitos de estado sólido têm condutividade iônica tão alta quanto eletrólitos orgânicos líquidos, e eles recebem a maior parte da atenção. O JCESR está explorando um fenômeno promissor que acelera drasticamente a difusão de íons:o movimento de rotação de íons negativos normalmente estáticos (ou seja, ânions) na estrutura de eletrólito de estado sólido que ajudam a impulsionar o movimento do Li ⁺ íons positivos (ou seja, cátions).

"Na verdade, Acontece que os 'blocos de construção' do ânion que compõem a estrutura sólida não são rígidos, mas sofrem movimento rotacional, "disse Nazar." Nosso estudo aborda este princípio para mostrar que a dinâmica do ânion na estrutura do sólido aumenta Li ⁺ transporte de cátions. A dinâmica aniônica pode ser "ligada" mesmo em temperatura ambiente, ajustando a estrutura, e a dinâmica do ânion está fortemente acoplada à difusão do cátion pelo efeito da roda de pás. Isso é semelhante ao transporte de pessoas por uma porta giratória para várias pessoas. "

Enquanto novos eletrólitos sólidos ainda estão em estágio de desenvolvimento, os avanços são encorajadores. Uma inovação seria uma virada de jogo e aumentaria drasticamente a segurança e a implantação de baterias de íon-lítio, de acordo com o diretor do JCESR, George Crabtree.

"Se você puder encontrar um eletrólito de estado sólido permitindo Li rápido ⁺ movimento catiônico, seria um substituto imediato para eletrólitos orgânicos líquidos e imediatamente livraria as baterias da reação térmica descontrolada, a principal causa de incêndio nas baterias de íon de lítio atuais ", disse Crabtree." Somente por suas vantagens de segurança, haveria um grande mercado para ele em telefones celulares, laptops, gravadores de vídeo, automóveis e a rede elétrica. "

O entusiasmo intelectual por baterias de estado sólido é compartilhado por todo o JCESR. Outros colaboradores da Universidade de Michigan e do MIT também estão explorando eletrólitos sólidos e o efeito da roda de pás. As baterias de estado sólido são um dos avanços mais promissores e procurados para a indústria, disse Crabtree.

"O JCESR quer entender as origens do comportamento da bateria em nível atômico e molecular. Com esse conhecimento, podemos construir a bateria de baixo para cima, átomo por átomo e molécula por molécula, onde cada átomo e molécula desempenham um papel prescrito na produção do comportamento da bateria alvo, "Crabtree disse." O efeito da roda de pás é um exemplo disso. Este artigo está na fronteira do comportamento do eletrólito sólido, e queremos transferir esse conhecimento para o setor comercial. ”