Usar um eletrólito sólido em vez de um líquido dentro de uma bateria pode permitir baterias recarregáveis de metal de lítio que são mais seguras, economizam muito mais energia e recarregam muito mais rápido do que as baterias de íon de lítio atuais. Esta ideia fascina cientistas e engenheiros há décadas. No entanto, o progresso foi limitado por uma fraqueza crítica. Eletrólitos sólidos feitos de materiais cristalinos desenvolvem rachaduras microscópicas. Com o tempo, essas rachaduras aumentam durante o carregamento repetido e, eventualmente, a bateria falha.
Os investigadores de Stanford, com base num trabalho publicado há três anos que revelou como pequenas fissuras, amolgadelas e defeitos superficiais se formam e se propagam, identificaram agora uma possível solução. Eles descobriram que o tratamento térmico de uma camada muito fina de prata na superfície de um eletrólito sólido poderia prevenir amplamente esse dano.
conforme relatado Materiais da natureza No dia 16 de janeiro, a superfície tratada com prata tornou-se cinco vezes mais resistente a trincas devido ao estresse mecânico. O revestimento também reduziu o risco de o lítio penetrar nos defeitos superficiais existentes. Essa penetração é particularmente prejudicial durante o carregamento rápido, quando fissuras muito pequenas podem alargar-se em canais profundos que degradam permanentemente a bateria.
Por que é tão difícil eliminar fissuras?
“O eletrólito sólido no qual nós e outros estamos trabalhando 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 como os pratos ou tigelas de cerâmica que você tem em casa, que apresentam pequenas rachaduras na superfície”.
Gu observou que é impraticável eliminar todos os defeitos durante a produção. “Uma bateria de estado sólido do mundo real é feita de camadas de folhas empilhadas de cátodo-eletrólito-ânodo. Seria quase impossível e muito caro construir sem as menores imperfeições”, disse ele. “Decidimos que uma superfície protetora poderia ser mais realista, e um pouco de prata pareceu funcionar bem.”
Interruptor prata-lítio
Estudos anteriores de outros grupos de pesquisa examinaram revestimentos de prata metálica aplicados aos mesmos materiais eletrolíticos sólidos usados no novo estudo. O material é conhecido como “LLZO” por sua combinação de lítio, lantânio, zircônio e oxigênio. Embora os esforços anteriores se concentrassem na prata metálica, a equipe de Stanford adotou uma abordagem diferente ao usar uma forma dissolvida que perdeu um elétron (Ag+).
Esta prata carregada positivamente se comporta de maneira muito diferente da prata metálica sólida. Segundo os pesquisadores, os íons Ag+ são diretamente responsáveis pelo fortalecimento da cerâmica e pela redução de sua tendência a trincas.
Como funciona o tratamento com prata
A equipe aplicou uma camada de prata de apenas 3 nanômetros de espessura na superfície das amostras LLZO e depois as aqueceu a 300°C (572°F). À medida que as amostras são aquecidas, os átomos de prata movem-se para a superfície do eletrólito, substituindo átomos menores de lítio dentro da estrutura cristalina porosa. Este processo estendeu-se cerca de 20 a 50 nanômetros abaixo da superfície.
É importante ressaltar que a prata permanece na sua forma iônica com carga positiva, em vez de se transformar em prata metálica. Os pesquisadores acreditam que isso é importante para prevenir fraturas. Em áreas onde já existem microimperfeições, os íons de prata impedem que o lítio penetre e forme estruturas internas prejudiciais.
“Nosso estudo mostra que a dopagem com prata em nanoescala pode mudar fundamentalmente a forma como as rachaduras se iniciam e se propagam na superfície do eletrólito, criando eletrólitos sólidos duráveis e resistentes a falhas para tecnologias de armazenamento de energia de próxima geração”, disse Jin Xu, que liderou a pesquisa como pós-doutorado em Stanford e agora é professor assistente de engenharia na Arizona State University.
“Esta abordagem pode ser estendida a uma ampla classe de cerâmicas, demonstrando que os revestimentos de superfície ultrafinos podem tornar os eletrólitos menos frágeis e mais estáveis sob condições eletroquímicas e mecânicas extremas, como carregamento rápido e estresse, “disse Xu, que trabalhou no laboratório do professor de Stanford William Chueh, diretor do Instituto Enford e diretor da Divisão Princeford. Escola Doerr de Sustentabilidade.
Para medir o quão forte o material tratado se tornou, os pesquisadores usaram uma sonda especial dentro de um microscópio eletrônico de varredura para testar quanta força era necessária para romper a superfície do eletrólito. O material tratado com prata exigiu cerca de cinco vezes mais pressão do que a amostra não tratada.
Em seguida vem a chave para baterias de estado sólido
Até agora, os testes concentraram-se em áreas pequenas e localizadas, em vez de células inteiras da bateria. Ainda não está claro se este método baseado em prata pode ser dimensionado para baterias maiores, integrado com outros componentes, e manter o seu desempenho ao longo de milhares de ciclos de carregamento.
A equipe agora está trabalhando em células de bateria de estado sólido totalmente metálicas de lítio e explorando como a aplicação de estresse mecânico de diferentes ângulos pode aumentar a vida útil da bateria. Eles também estão estudando tipos adicionais de eletrólitos sólidos, incluindo materiais à base de enxofre que podem oferecer melhor estabilidade química quando combinados com lítio.
Os pesquisadores veem aplicações potenciais além do lítio. As baterias à base de sódio poderiam beneficiar de estratégias semelhantes e ajudar a reduzir a pressão na cadeia de abastecimento ligada à procura de lítio.
A prata pode não ser a única opção viável. Os pesquisadores disseram que outros metais poderiam funcionar, desde que seus íons sejam maiores do que os íons de lítio que eles substituem na estrutura eletrolítica. O cobre mostrou algum sucesso nos primeiros testes, embora tenha sido menos eficaz que a prata.
Junto com Gu e Chueh, o outro autor sênior do estudo é Yu Cui, professor de engenharia da Brown University. Os co-autores principais de Stanford com Xu são Teng Cui, agora professor assistente na Universidade de Waterloo; Geoff McConohy, agora engenheiro de pesquisa na Orca Sciences; e o atual aluno de doutorado Samuel S. Lee. Harsh Jagad, ex-aluno da Brown University, agora diretor de tecnologia da Metal Light, Inc., também é co-autor principal do estudo.
