Uma equipe de pesquisadores da Brown University encontrou uma maneira de dobrar a resistência de um material cerâmico usado para fazer baterias de íon de lítio de estado sólido. A estratégia, descrito no jornal Matéria , pode ser útil para trazer baterias de estado sólido para o mercado de massa.

"Há um grande interesse em substituir os eletrólitos líquidos nas baterias atuais por materiais cerâmicos porque são mais seguros e podem fornecer maior densidade de energia, "disse Christos Athanasiou, pesquisador de pós-doutorado na Escola de Engenharia de Brown e principal autor da pesquisa. "Até aqui, a pesquisa em eletrólitos sólidos tem se concentrado na otimização de suas propriedades químicas. Com este trabalho, estamos nos concentrando nas propriedades mecânicas, na esperança de torná-los mais seguros e práticos para uso generalizado. "

O eletrólito é a barreira entre o cátodo e o ânodo da bateria, através do qual fluem os íons de lítio durante a carga ou descarga. Eletrólitos líquidos funcionam muito bem - eles são encontrados na maioria das baterias em uso hoje - mas eles têm alguns problemas. Em altas correntes, minúsculos filamentos de metal de lítio podem se formar dentro dos eletrólitos, que causa curto-circuito nas baterias. E uma vez que os eletrólitos líquidos também são altamente inflamáveis, esses shorts podem causar incêndios.

Eletrólitos de cerâmica sólida não são inflamáveis, e há evidências de que eles podem prevenir a formação de filamentos de lítio, o que pode permitir que as baterias operem em correntes mais altas. Contudo, cerâmicas são materiais altamente frágeis que podem quebrar durante o processo de fabricação e durante o uso.

Para este novo estudo, os pesquisadores queriam ver se infundir uma cerâmica com grafeno - um nanomaterial à base de carbono super forte - poderia aumentar a resistência à fratura do material (a capacidade de um material de resistir a rachaduras sem quebrar) enquanto mantém as propriedades eletrônicas necessárias para a função eletrolítica.

Athanasiou trabalhou com os professores de engenharia da Brown Brian Sheldon e Nitin Padture, que por anos usaram nanomateriais para endurecer cerâmicas para uso na indústria aeroespacial. Para este trabalho, os pesquisadores fizeram pequenas plaquetas de óxido de grafeno, misturou-os com pó de uma cerâmica chamada LATP, e depois aqueceu a mistura para formar um compósito de cerâmica-grafeno.

Os testes mecânicos do compósito mostraram um aumento de mais de duas vezes na tenacidade em comparação com a cerâmica sozinha. "O que está acontecendo é que quando o crack começa em um material, as plaquetas de grafeno essencialmente mantêm as superfícies quebradas juntas, de modo que mais energia é necessária para que a rachadura funcione, "Disse Athanasiou.

Experimentos também mostraram que o grafeno não interfere nas propriedades elétricas do material. O segredo era garantir que a quantidade certa de grafeno fosse adicionada à cerâmica. Muito pouco grafeno não alcançaria o efeito de endurecimento. Muito faria com que o material se tornasse eletricamente condutor, o que não é desejado em um eletrólito.

"Você quer que o eletrólito conduza íons, não eletricidade, "Padture disse." O grafeno é um bom condutor elétrico, então as pessoas podem pensar que estamos dando um tiro no próprio pé ao colocar um condutor em nosso eletrólito. Mas se mantivermos a concentração baixa o suficiente, podemos evitar que o grafeno conduza, e ainda obtemos o benefício estrutural. "

Tomados em conjunto, os resultados sugerem que os nanocompósitos podem fornecer um caminho para a fabricação de eletrólitos sólidos mais seguros com propriedades mecânicas para serem usados ​​em aplicações diárias. O grupo planeja continuar trabalhando para melhorar o material, tentar nanomateriais diferentes do grafeno e diferentes tipos de eletrólito cerâmico.

"Para nosso conhecimento, este é o eletrólito sólido mais resistente que alguém já fez, "Sheldon disse." Acho que o que mostramos é que há muita promessa no uso desses compostos em aplicações de bateria. "