As baterias de estado sólido podem desempenhar um papel fundamental em veículos elétricos, prometendo carregamento mais rápido, maior alcance e vida útil mais longa do que as baterias convencionais de íons de lítio. Mas as técnicas atuais de fabricação e processamento de materiais deixam as baterias de estado sólido propensas a falhas. Agora, os pesquisadores descobriram uma falha oculta por trás das falhas. O próximo passo é projetar materiais e técnicas que respondam por essas falhas e produzam baterias de próxima geração.
Em uma bateria de estado sólido, partículas carregadas chamadas íons se movem através da bateria dentro de um material sólido, em contraste com as baterias tradicionais de íons de lítio, nas quais os íons se movem em um líquido. As células de estado sólido oferecem vantagens, mas variações locais ou pequenas falhas no material sólido podem causar desgaste ou curto-circuito na bateria, de acordo com as novas descobertas.

"Um material uniforme é importante", disse a pesquisadora Kelsey Hatzell, professora assistente de engenharia mecânica e aeroespacial e do Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente. "Você quer íons se movendo na mesma velocidade em todos os pontos do espaço."

Em artigo publicado em 1º de setembro na revista Nature Materials , Hatzell e co-autores explicaram como eles usaram ferramentas de alta tecnologia no Laboratório Nacional de Argonne para examinar e rastrear mudanças de materiais em nanoescala dentro de uma bateria enquanto realmente carregavam e descarregavam a bateria. A equipe de pesquisa, representando a Princeton Engineering, Vanderbilt e Argonne and Oak Ridge National Labs, examinou os grãos compostos de cristais no eletrólito sólido da bateria, a parte central da bateria através da qual a carga elétrica se move. Os pesquisadores concluíram que as irregularidades entre os grãos podem acelerar a falha da bateria, movendo os íons mais rapidamente para uma região da bateria sobre outra. Ajustar as abordagens de processamento e fabricação de materiais pode ajudar a resolver os problemas de confiabilidade das baterias.

As baterias armazenam energia elétrica nos materiais que compõem seus eletrodos:o ânodo (a extremidade de uma bateria marcada com o sinal de menos) e o cátodo (a extremidade da bateria marcada com o sinal de mais). Quando a bateria descarrega energia para alimentar um carro ou um smartphone, as partículas carregadas (chamadas íons) se movem pela bateria até o cátodo (a extremidade +). O eletrólito, sólido ou líquido, é o caminho que os íons percorrem entre o ânodo e o cátodo. Sem um eletrólito, os íons não podem se mover e armazenar energia no ânodo e no cátodo.

Em uma bateria de estado sólido, o eletrólito é tipicamente uma cerâmica ou um vidro denso. As baterias de estado sólido com eletrólito sólido podem permitir materiais mais densos em energia (por exemplo, lítio metálico) e tornar as baterias mais leves e menores. Peso, volume e capacidade de carga são fatores-chave para aplicações de transporte, como veículos elétricos. As baterias de estado sólido também devem ser mais seguras e menos suscetíveis a incêndios do que outras formas.

Os engenheiros sabiam que as baterias de estado sólido são propensas a falhar no eletrólito, mas as falhas pareciam ocorrer aleatoriamente. Hatzell e co-pesquisadores suspeitaram que as falhas podem não ser aleatórias, mas na verdade causadas por mudanças na estrutura cristalina do eletrólito. Para explorar essa hipótese, os pesquisadores usaram o síncrotron do Laboratório Nacional de Argonne para produzir poderosos raios-X que lhes permitiram olhar para a bateria durante a operação. Eles combinaram imagens de raios-X e técnicas de difração de alta energia para estudar a estrutura cristalina de um eletrólito de granada na escala angstrom, aproximadamente do tamanho de um único átomo. Isso permitiu que os pesquisadores estudassem as mudanças na granada no nível do cristal.

Um eletrólito de granada é composto por um conjunto de blocos de construção conhecidos como grãos. Em um único eletrólito (1mm de diâmetro) existem quase 30.000 grãos diferentes. Os pesquisadores descobriram que entre os 30.000 grãos, havia dois arranjos estruturais predominantes. Essas duas estruturas movem íons em velocidades variadas. Além disso, essas diferentes formas ou estruturas "podem levar a gradientes de estresse que levam os íons a se moverem em direções diferentes e os íons evitando partes da célula", disse Hatzell.

Ela comparou o movimento de íons carregados através da bateria à água descendo um rio e encontrando uma rocha que redireciona a água. As áreas que têm grandes quantidades de íons em movimento tendem a ter níveis mais altos de estresse.

"Se você tiver todos os íons indo para um local, isso causará uma falha rápida", disse Hatzell. “Precisamos ter controle sobre onde e como os íons se movem nos eletrólitos para construir baterias que durem milhares de ciclos de carregamento”.

Hatzell disse que deve ser possível controlar a uniformidade dos grãos por meio de técnicas de fabricação e pela adição de pequenas quantidades de diferentes produtos químicos chamados dopantes para estabilizar as formas cristalinas nos eletrólitos.

"Temos muitas hipóteses não testadas de como você evitaria essas heterogeneidades", disse ela. "Certamente será desafiador, mas não impossível."

O artigo, "Polymorphism of Garnet Solid Electrolytes and Its Implications on Grain Level Chemo-Mechanics", foi publicado na revista Nature Materials . + Explorar mais

Líquidos iônicos causam impacto nas baterias de metal de lítio de estado sólido de última geração