Uma bateria recarregável mais segura, ecológica e barata para alimentar veículos elétricos, telefones celulares e muitas outras aplicações pode estar um passo mais próximo após uma descoberta inovadora dos pesquisadores da NUS.
A equipe liderada pelo professor assistente Pieremanuele (Piero) Canepa (Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Faculdade de Design e Engenharia da NUS) identificou uma nova composição de eletrólitos sólidos à base de íons de sódio que pode permitir carga e descarga ultrarrápidas da bateria.

Sua pesquisa foi publicada recentemente na Nature Communications .

"Baterias de íon de lítio convencionais e amplamente usadas são atormentadas por questões de segurança, principalmente devido à alta inflamabilidade dos eletrólitos líquidos que contêm", disse o Asst Prof Canepa.

“O desafio tem sido encontrar alternativas de estado sólido mais seguras que possam competir em termos de velocidade de carregamento, longevidade e capacidade de carregamento potencial”.

Baterias mais seguras e de alta capacidade

O uso de materiais cerâmicos não inflamáveis ​​- conhecidos como eletrólitos sólidos - para criar uma bateria totalmente em estado sólido tem sido amplamente visto pelos pesquisadores como a melhor perspectiva para fornecer baterias mais seguras e de alta capacidade necessárias para atender às demandas de energia de um futuro de baixo carbono.

A dificuldade tem sido desenvolver a composição certa de material cerâmico capaz de oferecer desempenho que compita com eletrólitos líquidos inflamáveis ​​de baterias comerciais de íons de lítio.

A nova composição de estado sólido desenvolvida pela equipe NUS usa uma classe de eletrólitos sólidos conhecidos como NASICONs (ou Natrium Super Ionic Conductors) que foram descobertos pela primeira vez há cerca de quatro décadas por Hong e Goodenough – o Prêmio Nobel de Química de 2019.

Além de ser mais segura, ao usar sódio em vez de lítio, a bateria tem o benefício adicional de ser mais barata e fácil de produzir.

"A maior parte do lítio do mundo, que é um elemento bastante raro por si só, é proveniente de apenas alguns lugares - principalmente Chile, Bolívia e Austrália", disse Asst Prof Canepa. "Usar uma bateria que depende de sódio, no entanto, é muito mais eficiente, pois o sódio pode ser extraído com facilidade e até de forma limpa - mesmo em um lugar pequeno como aqui em Cingapura."

Abordagem avançada

A descoberta pela equipe de Asst Prof Canepa foi feita usando uma abordagem de baixo para cima que envolveu primeiro o desenvolvimento de um modelo teórico em escala atômica da composição cerâmica do NASICON usando supercomputadores de alta potência e novos algoritmos desenvolvidos pela mesma equipe.

A composição projetada foi então sintetizada experimentalmente, caracterizada e testada pela equipe do Professor Masquelier no CNRS Laboratoire de Réactivité et Chimie des Solides, em Amiens, França. A velocidade do movimento iônico na nova composição do NASICON foi então medida no NUS e no Instituto de Pesquisa de Energia e Clima, em Jülich, Alemanha.

“O método que usamos permite que os pesquisadores acelerem o desenvolvimento e a otimização de novos eletrólitos sólidos para baterias de estado sólido, que são cruciais para obter baterias mais seguras com alta densidade de energia”, disse o professor Asst Canepa.

"Essa abordagem avançada, acreditamos, será fundamental para o desenvolvimento da próxima geração de tecnologias de armazenamento de energia limpa".

A próxima etapa da pesquisa, na qual a equipe está trabalhando agora, se concentrará no desenvolvimento de uma bateria sólida em tamanho real usando a cerâmica NASICON e na demonstração de seu desempenho de carga e descarga.

Asst Prof Canepa lidera o Laboratório de Pesquisa Canepa no NUS, que aproveita o poder dos supercomputadores e algoritmos de simulação avançados para expandir os limites na transformação e armazenamento de energia limpa.

Pesquisa do Canepa Lab sobre baterias de estado sólido

Em um estudo relacionado, pesquisadores do Canepa Lab examinaram um dos principais desafios no desenvolvimento de baterias totalmente em estado sólido:a interface entre o ânodo de metal alcalino e o eletrólito sólido, que geralmente é instável e uma fonte de falha da bateria .

A estabilidade desta interface depende das propriedades da intercamada quimicamente distinta que se forma na fronteira, conhecida como interfase de eletrólito sólido.

Em seu estudo, publicado recentemente na revista PRX Energy , a equipe liderada pelo pesquisador Yuheng Li, estudou a interface da bateria entre um ânodo de lítio-metal e um eletrólito sólido bem conhecido, no qual uma interfase autolimitada e estável se forma.

Para entender a origem dessa estabilidade, os autores usaram simulações em escala atômica para modelar a condutividade eletrônica da interfase. Eles descobriram que a interfase é isolante eletronicamente e, portanto, interrompe a formação progressiva de si mesma e estabiliza a interface.

A equipe diz que suas descobertas fornecem diretrizes de design sobre interfaces de bateria estáveis, ajudando a acelerar a comercialização de baterias de estado sólido seguras e de alto desempenho. + Explorar mais

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