As pessoas não exigem muito das baterias:forneça energia quando for necessário e pelo tempo que for necessário, recarregue rapidamente e não pegue fogo.

Uma onda de incêndios em telefones celulares em 2016 abalou a confiança do consumidor nas baterias de íon-lítio, uma tecnologia que ajudou a introduzir eletrônicos portáteis modernos, mas tem sido atormentada por questões de segurança desde que foi introduzida na década de 1980. À medida que o interesse por veículos elétricos aumenta, pesquisadores e especialistas da indústria estão em busca de tecnologias aprimoradas de baterias recarregáveis ​​que possam alimentar carros de forma segura e confiável, veículos autônomos, robótica e outros dispositivos de última geração.

A nova pesquisa da Cornell avança o design de baterias de estado sólido, uma tecnologia que é inerentemente mais segura e mais densa de energia do que as baterias de íon de lítio atuais, que dependem de eletrólitos líquidos inflamáveis ​​para transferência rápida de energia química armazenada em ligações moleculares à eletricidade. Começando com eletrólitos líquidos e, em seguida, transformando-os em polímeros sólidos dentro da célula eletroquímica, os pesquisadores tiram proveito das propriedades líquidas e sólidas para superar as principais limitações nos designs de baterias atuais.

"Imagine um copo cheio de cubos de gelo:parte do gelo entrará em contato com o copo, mas existem lacunas, "disse Qing Zhao, um pesquisador de pós-doutorado e autor principal do estudo, "Eletrólitos de polímero de estado sólido com transporte interfacial rápido embutido para baterias secundárias de lítio, "publicado em 11 de março em Nature Energy .

"Mas se você encher o copo com água e congelá-lo, as interfaces serão totalmente revestidas, e você estabelece uma forte conexão entre a superfície sólida do vidro e seu conteúdo líquido, "Qing disse." Este mesmo conceito geral em uma bateria facilita altas taxas de transferência de íons através das superfícies sólidas de um eletrodo de bateria para um eletrólito sem a necessidade de um líquido combustível para operar. "

O principal insight é a introdução de moléculas especiais capazes de iniciar a polimerização dentro da célula eletroquímica, sem comprometer outras funções da célula. Se o eletrólito for um éter cíclico, o iniciador pode ser projetado para rasgar o anel, produzindo fitas monoméricas reativas que se unem para criar moléculas semelhantes a cadeias longas com essencialmente a mesma química do éter. Este polímero agora sólido retém as conexões apertadas nas interfaces de metal, muito parecido com o gelo dentro de um copo.

Além de sua relevância para melhorar a segurança da bateria, eletrólitos de estado sólido também são benéficos para habilitar baterias de próxima geração que utilizam metais, incluindo lítio e alumínio, como ânodos para alcançar muito mais armazenamento de energia do que é possível na tecnologia de bateria de última geração. Nesse contexto, o eletrólito de estado sólido impede que o metal forme dendritos, um fenômeno que pode causar curto-circuito na bateria e causar superaquecimento e falha.

Apesar das vantagens percebidas das baterias de estado sólido, as tentativas da indústria de produzi-los em grande escala encontraram contratempos. Os custos de fabricação são altos, e as propriedades interfaciais pobres de projetos anteriores apresentam obstáculos técnicos significativos. Um sistema de estado sólido também contorna a necessidade de resfriamento da bateria, fornecendo estabilidade às mudanças térmicas.

"Nossas descobertas abrem um caminho inteiramente novo para criar baterias de estado sólido práticas que podem ser usadas em uma variedade de aplicações, "disse a autora sênior Lynden Archer, a James A. Friend Family Distinguished Professor of Engineering na Smith School of Chemical and Biomolecular Engineering.

De acordo com Archer, a nova estratégia in-situ para a criação de eletrólitos de polímero sólido é particularmente empolgante porque mostra a promessa de estender o ciclo de vida e as capacidades de recarga de baterias de metal recarregáveis ​​de alta densidade de energia.

"Nossa abordagem funciona para a tecnologia de íon de lítio de hoje, tornando-a mais segura, mas oferece oportunidade para a futura tecnologia de bateria, "Archer disse.