Uma tecnologia de bateria recarregável desenvolvida na Universidade de Michigan poderia dobrar a produção das células de íon de lítio atuais - estendendo drasticamente os intervalos de veículos elétricos e o tempo entre as cargas do telefone celular - sem ocupar nenhum espaço adicional.

Usando uma cerâmica, eletrólito de estado sólido, os engenheiros podem aproveitar a energia das baterias de metal de lítio sem os problemas históricos de baixa durabilidade e curto-circuito. O resultado é um roteiro para o que poderia ser a próxima geração de baterias recarregáveis.

"Isso pode mudar o jogo - uma mudança de paradigma em como uma bateria opera, "disse Jeff Sakamoto, um professor associado de engenharia mecânica da U-M que lidera o trabalho.

Nos anos 1980, baterias recarregáveis ​​de metal de lítio que usavam eletrólitos líquidos foram consideradas o próximo grande sucesso, penetrando no mercado dos primeiros telefones portáteis. Mas sua propensão a entrar em combustão quando carregados levou os engenheiros a diferentes direções. Os átomos de lítio que passam entre os eletrodos tendem a formar filamentos semelhantes a árvores, chamados dendritos, nas superfícies dos eletrodos, eventualmente causando um curto-circuito na bateria e acendendo o eletrólito inflamável.

A bateria de íon de lítio - mais estável, mas tecnologia menos densa em energia - foi introduzida em 1991 e rapidamente se tornou o novo padrão. Essas baterias substituíram o metal de lítio por ânodos de grafite, que absorvem o lítio e evitam a formação de dendritos, mas também vêm com custos de desempenho:

O grafite pode conter apenas um íon de lítio para cada seis átomos de carbono, dando-lhe uma capacidade específica de aproximadamente 350 miliamperes horas por grama (mAh / g.) O metal de lítio em uma bateria de estado sólido tem uma capacidade específica de 3, 800 mAh / g.

As baterias de íon de lítio atuais atingem o máximo com uma densidade de energia total em torno de 600 watts-hora por litro (Wh / L) no nível da célula. Principalmente, baterias de estado sólido podem chegar a 1, 200 Wh / L.

Para resolver o problema de combustão do metal de lítio, Os engenheiros da U-M criaram uma camada de cerâmica que estabiliza a superfície, impedindo a formação de dendritos e evitando incêndios. Ele permite que as baterias aproveitem os benefícios do metal de lítio - densidade de energia e alta condutividade - sem os perigos de incêndios ou degradação ao longo do tempo.

"O que descobrimos é uma abordagem diferente - estabilizar fisicamente a superfície do metal de lítio com uma cerâmica, "Disse Sakamoto." Não é combustível. Fazemos mais de 1, 800 graus Fahrenheit no ar. E nao ha liquido, que é o que normalmente alimenta os incêndios da bateria que você vê.

"Você se livra desse combustível, você se livra da combustão. "

Em testes anteriores de eletrólito de estado sólido, O metal de lítio cresceu através do eletrólito de cerâmica em baixas taxas de carregamento, causando um curto-circuito, muito parecido com as células líquidas. Os pesquisadores da U-M resolveram esse problema com tratamentos químicos e mecânicos que fornecem uma superfície imaculada para o lítio se espalhar uniformemente, suprimindo efetivamente a formação de dendritos ou filamentos. Isso não apenas melhora a segurança, permite uma melhoria dramática nas taxas de carregamento, Sakamoto disse.

"Até agora, as taxas nas quais você poderia obter lítio significariam que você teria que carregar uma bateria de metal de lítio de carro por mais de 20 a 50 horas (para energia total), "Disse Sakamoto." Com esta descoberta, demonstramos que podemos carregar a bateria em 3 horas ou menos.

"Estamos falando de um fator de aumento de 10 na velocidade de carregamento em comparação com relatórios anteriores para baterias de metal de lítio de estado sólido. Agora estamos no mesmo nível das células de íon de lítio em termos de taxas de carregamento, mas com benefícios adicionais. "

Esse processo de carga / recarga é o que inevitavelmente leva à eventual morte de uma bateria de íon de lítio. Trocar íons repetidamente entre o cátodo e o ânodo produz degradação visível logo que sai da caixa.

Ao testar o eletrólito de cerâmica, Contudo, nenhuma degradação visível é observada após ciclos de longo prazo, disse Nathan Taylor, um pós-doutorado da U-M em engenharia mecânica.

"Fizemos o mesmo teste por 22 dias, "disse ele." A bateria era a mesma no início e no fim. Não vimos nenhuma degradação. Não temos conhecimento de nenhum outro eletrólito de estado sólido a granel com um desempenho tão bom por tanto tempo. "

Os eletrólitos de estado sólido em massa habilitam células que são uma substituição imediata para as baterias de íon de lítio atuais e podem aproveitar a tecnologia de fabricação de baterias existente. Com o desempenho do material verificado, o grupo de pesquisa começou a produzir camadas finas de eletrólitos sólidos necessárias para atender às metas de capacidade de estado sólido.

As descobertas do grupo foram publicadas na edição de 31 de agosto do Journal of Power Sources .