Revolucionando o armazenamento de energia:baterias de lítio com eletrólito sólido oferecem segurança, capacidade e velocidade

André Corselli
Representação artística de um revestimento atomicamente fino de prata e alguns átomos de prata abaixo da superfície, protegendo a estrutura cristalina de um eletrólito sólido da pressão mecânica. (Imagem:Chaoyang Zhao)
Um eletrólito sólido - em vez de líquido - entre os eletrodos opostos de uma bateria deveria, em teoria, permitir uma bateria recarregável de lítio metálico que fosse mais segura, armazenasse muito mais energia e carregasse consideravelmente mais rápido do que as baterias de íon-lítio disponíveis comercialmente hoje. Durante décadas, cientistas e engenheiros exploraram vários caminhos para concretizar a grande promessa das baterias de metal de lítio. Um grande problema com os eletrólitos sólidos e cristalinos em estudo tem sido a formação de rachaduras microscópicas que crescem durante o uso até que a bateria falhe.

Os investigadores de Stanford, com base em descobertas publicadas há três anos que identificaram como estas pequenas imperfeições se formam e se expandem, descobriram que o recozimento de um revestimento de prata extremamente fino na superfície do electrólito sólido parece resolver em grande parte o problema. Conforme relatado em Materiais Naturais , este revestimento endurece a superfície do eletrólito cinco vezes contra a fratura por pressão mecânica. Também torna as imperfeições existentes muito menos vulneráveis ​​à penetração do lítio no interior, especialmente durante a recarga rápida, que transforma nano fissuras em nano fendas e eventualmente inutiliza a bateria.

“O eletrólito sólido que nós e outros estamos trabalhando para melhorar é um tipo de cerâmica que permite que os íons de lítio se movam facilmente para frente e para trás, mas é frágil”, disse a autora sênior Wendy Gu, professora associada de Engenharia Mecânica. “Em uma escala incrivelmente pequena, não é diferente dos pratos ou tigelas de cerâmica que você tem em casa, que apresentam pequenas rachaduras na superfície.”

"Uma bateria de estado sólido do mundo real é feita de camadas de folhas empilhadas de cátodo-eletrólito-ânodo. Fabricá-las sem as menores imperfeições seria quase impossível e muito caro, "disse Gu. “Decidimos que uma superfície protetora pode ser mais realista, e apenas um pouco de prata parece fazer um bom trabalho.”

Pesquisas anteriores de outros cientistas investigaram o uso de revestimentos Ag metálicos no mesmo material eletrolítico sólido – conhecido como “LLZO” por sua mistura de átomos de lítio, lantânio e zircônio, bem como oxigênio – com o qual o estudo atual trabalhou. Embora os estudos anteriores utilizassem prata metálica para melhorar o desempenho da bateria, o novo estudo utilizou uma forma dissolvida de prata que perdeu um elétron (Ag+). Esta prata dissolvida e carregada - ao contrário da prata sólida metálica - é diretamente responsável pelo endurecimento da cerâmica contra a formação de fissuras.

Os pesquisadores depositaram uma camada de prata com 3 nanômetros de espessura nas superfícies LLZO e depois aqueceram as amostras até 300 °C (572 °F). Durante o aquecimento, os átomos de prata difundiram-se na superfície do eletrólito, trocando de lugar com átomos de lítio muito menores a uma profundidade de 20 a 50 nanômetros. A prata permaneceu como íons carregados positivamente, em vez de prata metálica, o que os cientistas consideram fundamental para prevenir a formação de rachaduras. Onde existem imperfeições, a presença de alguns íons de prata positivos também evita que o lítio se intrometa e desenvolva ramos destrutivos dentro do eletrólito.

“Nosso estudo mostra que a dopagem com prata em nanoescala pode alterar fundamentalmente a forma como as rachaduras se iniciam e se propagam na superfície do eletrólito, produzindo eletrólitos sólidos duráveis e resistentes a falhas para tecnologias de armazenamento de energia de próxima geração”, disse o então líder de pesquisa Xin Xu, agora professor assistente de engenharia na Arizona State University.

Aqui está um Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para maior extensão e clareza, com Xu.

Resumos técnicos :Qual foi o maior desafio técnico que você enfrentou ao recozer o revestimento?

Xu :Antes de responder, quero esclarecer que definitivamente não somos o primeiro grupo a pensar em prata. Os revestimentos de prata têm sido usados ​​em baterias de estado sólido há alguns anos, principalmente como uma camada intermediária entre o metal de lítio e um eletrólito sólido. Obviamente, eles funcionam bem. Mas chegamos a isso com uma ideia um pouco diferente. Começamos a pensar na prata como um elemento mágico. É grande e altamente polarizável.

Isto significa que os braços de prata são tão flexíveis que podem comprimir materiais em locais onde os pequenos íons não conseguem. Nossa hipótese aqui é muito simples:se a prata pudesse difundir ou comprimir o eletrólito na célula, ela poderia gerar tensão de compressão e, na verdade, poderia endurecer o material. Isso tornará o material mais resistente a rachaduras.

Quando tivemos essa ideia pela primeira vez, pensamos:‘Quão difícil pode ser? Basta colocar prata lá. 'Acabou sendo tão, tão difícil. O maior desafio técnico foi:os eletrólitos sólidos são extremamente sensíveis ao ar. A umidade reage com o CO2 e isso também formará uma camada de contaminação na superfície. Mesmo no laboratório, isso acontece com muita facilidade. Uma vez formada essa contaminação na superfície do eletrólito, a prata simplesmente não consegue fazer o que queremos.

Finalmente percebemos que a limpeza da superfície era tudo. Portanto, se criarmos uma superfície ultralimpa, a prata poderá se desintegrar no material do eletrólito e gerar a tensão de compressão que pretendíamos. A partir daí, ficamos muito obsessivos com o controle do ambiente de laboratório. Partimos da preparação da amostra, da caracterização do revestimento até os testes. Cada passo foi feito em condições de ausência de ar rigorosamente controladas. Nós até projetamos uma embarcação de transferência personalizada e sem ar, exclusiva, apenas para este projeto. Nós até vendemos isso na Amazon. Depois que fizemos isso, os resultados foram muito claros. Muito emocionante.

Resumos técnicos :Você tem planos para trabalhos futuros?

Xu :Temos várias coisas em mente para as próximas etapas. Primeiro, e acho que esta é provavelmente a minha parte favorita, queremos experimentar outros elementos. Estes resultados sugerem que o tamanho iônico é um fator chave. Se isso for verdade, a prata não é especial porque é prata; é especial porque é grande. Isto significa que elementos mais baratos, mas grandes, também podem funcionar. Por exemplo, sódio, potássio ou cobre. Na verdade, já obtivemos alguns resultados muito promissores com o cobre.