Smartphones, veículos elétricos e inúmeros aparelhos eletrônicos portáteis dependem de baterias. À medida que aumenta a procura por armazenamento avançado de energia, as melhorias na capacidade, vida útil e segurança das baterias desempenharão um papel importante no futuro da eletrificação. Uma das tecnologias mais promissoras são as baterias de estado sólido, que poderão permitir que os smartphones funcionem durante vários dias com uma única carga e proporcionar aos veículos eléctricos uma autonomia três vezes superior à de muitos modelos actuais.
Ao contrário das baterias convencionais de íons de lítio, que usam um eletrólito líquido entre dois eletrodos sólidos, as baterias de estado sólido substituem o líquido por um eletrólito sólido. Esse design oferece vários benefícios potenciais, incluindo alta densidade de potência, maior segurança e maior vida útil da bateria. Mas um problema persistente retardou a adoção comercial. Durante o carregamento, pequenas estruturas semelhantes a árvores chamadas dendritos podem crescer a partir do ânodo de lítio, perfurando o eletrólito sólido e criando curtos-circuitos internos.
Agora, uma equipe interdisciplinar do Instituto Max Planck de Materiais Sustentáveis (MPI-Susmat) identificou como esses dendritos iniciam a fratura que acaba levando à falha da bateria. Suas descobertas são publicadas na revista a natureza.
Como os dendritos quebram em baterias de estado sólido
Exatamente como os dendritos de lítio macios conseguem romper um eletrólito cerâmico duro há muito tempo intriga os pesquisadores.
“Embora os eletrodos e os dendritos formadores sejam compostos de metal de lítio, que é tão macio quanto um ursinho de goma, os dendritos são capazes de penetrar no eletrólito cerâmico e causar um curto-circuito”, disse o Dr. Yuwei Zhang, primeiro autor da nova publicação e chefe do grupo de Quimio-Mecânica da Battery-MPIS. “Como os dendritos moles podem quebrar a cerâmica dura? Existem duas hipóteses: ou a tensão interna se acumula dentro dos dendritos e induz a ruptura mecânica do eletrólito sólido. Ou o vazamento de elétrons ao longo dos limites dos grãos do eletrólito sólido promove a formação de núcleos de lítio que são então interligados. “
Para determinar qual explicação estava correta, os pesquisadores usaram uma combinação avançada de técnicas de preparação de amostras e caracterização de materiais. Cada etapa foi realizada sob vácuo e em temperaturas criogênicas para eliminar a interferência do oxigênio, da água e até mesmo do feixe de elétrons do microscópio.
A equipe testou a tensão interna e a deformação plástica dos dendritos de lítio presos dentro das rachaduras. A análise deles não encontrou nenhum acúmulo de lítio antes da ponta do dendrito, descartando um mecanismo proposto.
“O metal de lítio macio é capaz de penetrar no eletrólito cerâmico duro, semelhante a um jato de água contínuo penetrando uma rocha. Calculamos que o estresse hidrostático nos dendritos eventualmente leva à fratura frágil do eletrólito duro”, disse Zhang.
Os pesquisadores confirmaram suas conclusões usando simulações de campo de fase e medições de difração de retroespalhamento de elétrons.
Novas técnicas para evitar falhas na bateria
Com uma melhor compreensão de como os dendritos fraturam eletrólitos sólidos, a equipe está agora investigando maneiras de interromper ou atrasar o processo.
As soluções possíveis incluem o endurecimento do eletrólito sólido para que resista a fissuras durante longos períodos de tempo, a introdução de vazios microscópicos que redirecionam o crescimento de dendritos e desviam as fissuras para longe de áreas fracas, ou a adição de revestimentos protetores aos eletrodos de lítio para reduzir a formação de dendritos em primeiro lugar.
Os pesquisadores dizem que seu trabalho demonstra a importância de compreender como os materiais se comportam no nível microscópico. Estas informações poderão ajudar a transformar as baterias de estado sólido de um conceito promissor numa tecnologia prática para futuros smartphones, veículos eléctricos e outros dispositivos electrónicos.
