Novo revestimento protetor aumenta a segurança e a densidade energética da bateria de metal de lítio

Universidade de Stanford, CA
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 de 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 Wendy Gu, professora associada de engenharia mecânica e autora sênior do estudo. “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 evitar 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.

"Este método pode ser estendido a uma ampla classe de cerâmica. Ele demonstra que revestimentos de superfície ultrafinos podem tornar o eletrólito menos frágil e mais estável sob condições eletroquímicas e mecânicas extremas, como carregamento rápido e pressão, "disse Xin Xu, que em Stanford trabalhou no laboratório do professor William Chueh, autor sênior do estudo e diretor do Instituto Precourt de Energia, que faz parte da Escola de Sustentabilidade Stanford Doerr.

Usando uma sonda especializada dentro de um microscópio eletrônico de varredura, os pesquisadores mediram a força necessária para fraturar a superfície. O eletrólito sólido tratado com prata exigiu quase cinco vezes mais pressão para quebrar, em comparação com o material não tratado. Até agora, os experimentos funcionaram com pequenas amostras de teste, em vez de baterias completas. Os pesquisadores estão agora aplicando o tratamento de superfície à base de prata em baterias totalmente metálicas de lítio para ver o desempenho do revestimento em condições reais, como carregamento rápido repetido e uso a longo prazo.

Além disso, a equipe está pesquisando diversas estratégias para usar pressão mecânica em diferentes ângulos que possam prolongar a vida útil da bateria. Eles também estão estudando métodos para evitar falhas em tipos adicionais de eletrólitos sólidos, como aqueles à base de enxofre, que podem ter benefícios adicionais, como maior estabilidade química com lítio. A aplicação destas descobertas às baterias emergentes à base de sódio é uma possibilidade intrigante, que pode ajudar a aliviar as restrições da cadeia de abastecimento de baterias à base de lítio.

A prata não é a única opção, disseram os pesquisadores. Os primeiros testes com outros metais menos caros – o cobre, por exemplo – mostraram resultados encorajadores. Juntas, estas descobertas sugerem uma abordagem nova e flexível para endurecer os materiais frágeis que podem ser cruciais para as baterias da próxima geração.

Para mais informações, entre em contato com Wendy Gu em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa ter o JavaScript habilitado para visualizá-lo.