p Íon de lítio recarregável, a tecnologia de bateria dominante para eletrônicos portáteis, está se tornando cada vez mais a bateria preferida para aplicações de armazenamento de energia em veículos elétricos e redes elétricas. p Em uma bateria de íon de lítio, o cátodo (eletrodo positivo) é um óxido de metal de lítio, enquanto o ânodo (eletrodo negativo) é de grafite. Mas os pesquisadores estão procurando maneiras de substituir a grafite por metal de lítio como ânodo para aumentar a densidade de energia da bateria.

p Uma vez que a densidade de empacotamento dos átomos de lítio é a mais alta em sua forma metálica, baterias que usam ânodos de lítio metálicos podem embalar mais energia por peso ou volume do que ânodos baseados em grafite. Contudo, ânodos de metal de lítio são atormentados pelo acúmulo de "dendritos" que ocorre ao longo de ciclos repetidos de carga e descarga.

p Os dendritos são saliências semelhantes a ramos que emanam da superfície do metal de lítio. Muitas vezes, eles crescem o suficiente para criar um curto-circuito entre os eletrodos, levando a um risco de incêndio.

p Mas agora uma equipe de pesquisadores do Rensselaer Polytechnic Institute (Rensselaer) descobriu uma maneira de usar o calor da bateria interna para difundir os dendritos em uma camada lisa. Os pesquisadores relataram suas descobertas esta semana em Ciência .

p "Descobrimos que os dendritos de metal de lítio podem ser curados in situ pelo autoaquecimento das partículas dendríticas, "disse Nikhil Koratkar, o John A. Clark e Edward T. Crossan Professor de Engenharia em Rensselaer e autor correspondente do artigo.

p Trabalhando em torno do problema dos dendritos

p Um dispositivo de bateria é composto de dois eletrodos - o cátodo e o ânodo. Colocada entre os eletrodos está uma membrana isolante que atua como um separador para evitar que os eletrodos se toquem e causem um curto-circuito na bateria. O separador está saturado com um eletrólito líquido, o que permite que íons (átomos carregados) se movam para frente e para trás entre os eletrodos.

p As reações químicas produzem eletricidade quando os íons de lítio carregados positivamente do ânodo são transportados para o cátodo durante a descarga. Quando a bateria está conectada a uma tomada para recarregar, o inverso acontece:os íons de lítio fluem do cátodo de volta para o ânodo.

p Em uma bateria com ânodo de metal de lítio, ciclos repetidos de descarga e recarga causam o acúmulo de dendritos na superfície do ânodo. Este acúmulo espinhoso pode eventualmente penetrar no separador e tocar o cátodo. Quando isso acontece, ocorre um curto-circuito que torna a bateria inoperante, ou pior, causa um incêndio.

p A indústria evitou o problema da dendrita de lítio usando ânodos de carbono (normalmente grafite). Nesta abordagem, íons de lítio se difundem e são armazenados dentro da matriz de carbono, que isola cada átomo de lítio, evitando assim o acúmulo de dendritos. Tipicamente, um átomo de lítio é armazenado para cada seis átomos de carbono, com o excesso de material de carbono servindo pouco mais do que peso morto.

p "Baterias de íon-lítio com ânodos à base de carbono são a melhor opção disponível, mas eles não podem mais acompanhar a demanda de capacidade de armazenamento, "Koratkar disse." Para quaisquer novas melhorias significativas, devemos procurar em outro lugar. A melhor opção seria um sistema de metal de lítio. "

p Técnica de autoaquecimento pode ser uma virada de jogo

p A solução proposta pelos pesquisadores de Rensselaer aproveita o aquecimento resistivo interno da bateria para eliminar o acúmulo de dendritos. O aquecimento resistivo (também conhecido como aquecimento Joule) é um processo em que um material metálico resiste ao fluxo de corrente e, como resultado, produz calor. Este "autoaquecimento" ocorre durante o processo de carga e descarga.

p Os pesquisadores aumentaram o efeito de autoaquecimento aumentando a densidade da corrente (taxa de carga-descarga) da bateria. O processo desencadeou extensa difusão superficial de lítio, espalhando os dendritos em uma camada uniforme.

p Os pesquisadores demonstraram pela primeira vez esse alisamento (cura) dos dendritos em uma célula simétrica de lítio-lítio. Eles então mostraram o processo com os mesmos resultados em uma demonstração de prova de conceito usando uma bateria de lítio-enxofre.

p A cura dos dendritos seria realizada por um software de sistema de gerenciamento de bateria, que forneceria doses de tratamento de "autocura" executando alguns ciclos a uma alta taxa de carga e descarga quando um dispositivo eletrônico não estiver em uso.

p "Uma quantidade limitada de ciclos em alta densidade de corrente ocorreria para curar os dendritos, e então as operações normais podem ser retomadas, "Koratkar disse." A autocura ocorreria como uma estratégia de manutenção, muito antes de os dendritos se tornarem um risco à segurança. "

p "O armazenamento de energia de alta densidade continua sendo um obstáculo crítico entre a colheita de energia renovável e seu uso difundido em tudo, desde veículos elétricos a residências movidas a energia solar, "disse o Reitor de Engenharia Shekhar Garde." Os resultados do laboratório do Prof. Koratkar mostram como a compreensão fundamental dos materiais em nanoescala pode ser empregada não apenas para aumentar a densidade de energia das baterias, mas também aumentar sua vida e torná-los mais seguros. "