p Quando se trata de baterias, sempre há áreas para melhorar:a corrida começou para desenvolver baterias mais baratas, mais seguro, mais duradouro, mais densa de energia, e facilmente reciclável. p Em um artigo de revisão publicado na edição de março de 2020 da Nature Nanotechnology , os nanoengenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego oferecem um roteiro de pesquisa que inclui quatro desafios que precisam ser enfrentados a fim de levar uma classe promissora de baterias - baterias totalmente em estado sólido - à comercialização. Este artigo resume o trabalho da equipe para enfrentar esses desafios nos últimos três anos, que foram relatados em vários artigos revisados ​​por pares publicados em várias revistas.

p Ao contrário das baterias recarregáveis ​​de íon de lítio de hoje, que contêm eletrólitos líquidos que muitas vezes são inflamáveis, baterias com eletrólitos sólidos oferecem a possibilidade de maior segurança, além de toda uma gama de benefícios, incluindo maior densidade de energia.

p No Nature Nanotechnology artigo de revisão, os pesquisadores se concentram em eletrólitos sólidos inorgânicos, como óxidos de cerâmica ou vidros de sulfeto. Eletrólitos sólidos inorgânicos são uma classe relativamente nova de eletrólitos sólidos para baterias totalmente de estado sólido (em contraste com eletrólitos sólidos orgânicos que são mais extensivamente pesquisados).

p Roteiro:eletrólitos inorgânicos para baterias totalmente de estado sólido

p A seguir está um esboço do roteiro que os pesquisadores descrevem em seu artigo de revisão:

1. Criação de interfaces químicas estáveis ​​de eletrólito sólido
2. Novas ferramentas para em operando diagnóstico e caracterização
3. Fabricação escalável e econômica
4. Baterias projetadas para reciclabilidade

p "É fundamental que recuemos e pensemos sobre como enfrentar esses desafios simultaneamente, porque eles estão todos inter-relacionados, "disse Shirley Meng, professor de nanoengenharia da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs. "Se quisermos cumprir a promessa de baterias totalmente sólidas, devemos encontrar soluções que atendam a todos esses desafios ao mesmo tempo. "

p Como diretor do Centro de Energia e Energia Sustentável da UC San Diego e diretor do Instituto de Descoberta e Design de Materiais da UC San Diego, Meng é um membro-chave de um grupo de pesquisadores na vanguarda de todas as pesquisas e desenvolvimento de baterias de estado sólido na UC San Diego.

p Criação de interfaces químicas estáveis ​​de eletrólito sólido

p Eletrólitos de estado sólido percorreram um longo caminho desde seus primeiros dias, quando os primeiros eletrólitos descobertos exibiram valores de condutividade muito baixos para aplicações práticas. Os eletrólitos de estado sólido avançados de hoje mostram condutividades que excedem até mesmo aquelas dos eletrólitos líquidos convencionais usados ​​nas baterias de hoje (maiores que 10 mS cm ^-1 ) A condutividade iônica se refere a quão rápido os íons de lítio podem se mover dentro do eletrólito.

p Infelizmente, a maioria dos eletrólitos sólidos altamente condutores relatados são frequentemente instáveis ​​eletroquimicamente e enfrentam problemas quando aplicados contra materiais de eletrodo usados ​​em baterias.

p "Neste ponto, devemos mudar nosso foco de perseguir condutividade iônica mais alta. Em vez de, devemos nos concentrar na estabilidade entre eletrólitos de estado sólido e eletrodos, "disse Meng.

p Se a condutividade iônica for análoga a quão rápido um carro pode ser dirigido, então, a estabilidade da interface se refere à dificuldade de lidar com o tráfego da hora do rush. Não importa o quão rápido seu carro pode ir se você estiver preso no trânsito a caminho do trabalho.

p Pesquisadores da UC San Diego abordaram recentemente esse gargalo de estabilidade da interface, demonstrando como estabilizar a interface eletrodo-eletrólito e melhorar o desempenho da bateria usando eletrólitos sólidos com condutividades iônicas moderadas, mas exibem interfaces estáveis.

p Novas ferramentas para em operando diagnóstico e caracterização

p Por que as baterias falham? Por que ocorre o curto-circuito? O processo de compreensão do que se passa dentro de uma bateria requer caracterização em nanoescala, idealmente em tempo real. Para baterias totalmente sólidas, isso é imensamente desafiador.

p A caracterização da bateria normalmente depende do uso de sondas, como raios-X, ou microscopia eletrônica ou óptica. Em baterias comerciais de íon de lítio, os eletrólitos líquidos usados ​​são transparentes, permitindo a observação de vários fenômenos nos respectivos eletrodos. Em alguns casos, este líquido também pode ser lavado para fornecer uma superfície mais limpa para caracterização de alta resolução.

p "Temos muito mais facilidade em observar as baterias de íon de lítio de hoje. Mas em baterias totalmente de estado sólido, tudo é sólido ou enterrado. Se você tentar as mesmas técnicas para baterias totalmente sólidas, é como tentar ver através de uma parede de tijolos, "disse Darren H. S. Tan, um Ph.D. em nanoengenharia candidato na Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs.

p Além disso, eletrólitos sólidos e metal de lítio usados ​​em baterias de estado sólido podem ser sensíveis a danos por feixe de elétrons. Isso significa que as técnicas de microscopia eletrônica padrão usadas para estudar baterias danificariam os materiais de interesse antes que pudessem ser observados e caracterizados.

p Uma das maneiras pelas quais os pesquisadores da UC San Diego estão superando esses desafios é usando métodos criogênicos para manter os materiais da bateria resfriados, mitigando sua decomposição sob a sonda de microscópio eletrônico.

p Outra ferramenta usada para superar os obstáculos de caracterizar interfaces de eletrólitos sólidos é a tomografia de raios-X. Isso é semelhante ao que os humanos passam durante seus exames de saúde. A abordagem foi usada em um artigo recente relatando a observação - sem abrir ou interromper a própria bateria - de dendritos de lítio enterrados no eletrólito sólido.

p Fabricação escalável e econômica

p Avanços na pesquisa de baterias geralmente não significam muito se não forem escaláveis. Isso inclui avanços para baterias de estado sólido. Se esta classe de baterias entrar no mercado nos próximos anos, a comunidade de baterias precisa de maneiras de fabricar e manusear seus materiais de componentes sensíveis de maneira econômica e em grande escala.

p Nas ultimas decadas, pesquisadores desenvolveram - em laboratório - vários materiais de eletrólitos sólidos que exibem propriedades químicas que são ideais para baterias. Infelizmente, muitos desses materiais promissores são muito caros ou muito difíceis de aumentar para uma fabricação de alto volume. Por exemplo, muitos se tornam altamente frágeis quando feitos finos o suficiente para a fabricação rolo a rolo, que exige espessuras abaixo de 30 micrômetros.

p Adicionalmente, métodos para produzir eletrólitos sólidos em escalas maiores não estão bem estabelecidos. Por exemplo, a maioria dos protocolos de síntese requerem múltiplos processos energéticos que incluem múltiplas moagens, recozimento térmico e etapas de processamento de solução.

p Para superar essas limitações, pesquisadores da UC San Diego estão mesclando vários campos de especialização. Eles estão combinando cerâmicas usadas em ciências de materiais tradicionais com polímeros usados ​​em química orgânica para desenvolver eletrólitos sólidos flexíveis e estáveis ​​que são compatíveis com processos de fabricação escalonáveis. Para resolver problemas de síntese de material, a equipe também relata como os materiais de eletrólito sólido podem ser produzidos de forma escalável usando a fabricação de uma única etapa, sem a necessidade de etapas adicionais de recozimento.

p Baterias projetadas para reciclabilidade

p As baterias gastas contêm materiais valiosos e em abundância limitada, como lítio e cobalto, que podem ser reutilizados.

p Quando chegam ao fim de seus ciclos de vida, essas baterias precisam ir para algum lugar, ou então eles serão simplesmente acumulados ao longo do tempo como desperdício.

p Os métodos de reciclagem de hoje, Contudo, são frequentemente caros, energia e tempo intensivos, e incluem produtos químicos tóxicos para processamento. Além disso, esses métodos recuperam apenas uma pequena fração dos materiais da bateria devido às baixas taxas de reciclagem de eletrólitos, sais de lítio, separador, aditivos e materiais de embalagem. Em grande parte, isso ocorre porque as baterias de hoje não foram projetadas com a reciclabilidade econômica em mente desde o início.

p Os pesquisadores da UC San Diego estão na vanguarda dos esforços para projetar a reutilização e a reciclabilidade nas baterias totalmente de estado sólido do futuro.

p "Reutilização e reciclabilidade econômicas devem ser incorporadas aos avanços futuros que são necessários para desenvolver baterias totalmente de estado sólido que forneçam altas densidades de energia de 500 watts-hora por kg ou melhor, "disse Zheng Chen, professor de nanoengenharia da UC San Diego." É fundamental que não cometamos os mesmos erros de reciclabilidade que foram cometidos com baterias de íon de lítio. "

p As baterias também precisam ser projetadas com seu ciclo de vida completo em mente. Isso significa projetar baterias que devem permanecer em uso após ficarem abaixo de 60 a 80 por cento de sua capacidade original, o que geralmente marca o fim da vida útil de uma bateria. Isso pode ser feito explorando usos secundários para baterias, como armazenamento estacionário ou para energia de emergência, estendendo sua expectativa de vida antes de finalmente chegarem aos centros de reciclagem.

p Baterias totalmente em estado sólido com eletrólitos orgânicos oferecem uma grande promessa como uma tecnologia de bateria do futuro que fornecerá alta densidade de energia, segurança, longa vida útil e reciclabilidade. Mas transformar essas possibilidades em realidades exigirá esforços de pesquisa estratégica que considerem como os desafios restantes, incluindo reciclabilidade, estão inter-relacionados.