Ao mesmo tempo que o lítio aumenta de 30% a 50% o alcance da bateria de um veículo elétrico, também reduz sua vida útil devido a dendritos de lítio, pequenos defeitos em forma de árvore que se formam nos ânodos de lítio após muitos ciclos de carga e descarga. Caso entrem em contato com o cátodo, esses dendritos causam um curto-circuito nas células da bateria.
Por décadas, imaginou-se que os eletrólitos sólidos, como os feitos de cerâmica, funcionariam melhor para impedir o contato entre células e dendritos. No entanto, essa abordagem não impediu a formação dos dendritos, como pequenas rachaduras em um vidro que eventualmente se espalharam.
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Agora, cientistas do Departamento de Energia do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, em conjunto com a Universidade Carnegie Mellon, relataram na revista Nature Materials uma nova classe de eletrólitos sólidos e macios, feitos de polímeros e cerâmica, que suprimem dendritos em estágio inicial de nucleação, antes que eles se propaguem e ataquem a bateria.
Novos eletrólitos sólidos abrem o caminho para uma eletrificação mais ampla do transporte. Imagem: Jinsoo Kim
Inovações como essa, que usam eletrodos e eletrólitos sólidos, podem fornecer alta densidade de energia e mais segurança, mas a tecnologia precisa superar diversos desafios de materiais e processamento.
“Nossa tecnologia de supressão de dendritos tem implicações empolgantes para a indústria de baterias”, disse Brett Helms, coautor do estudo e cientista da equipe de Fundição Molecular de Berkeley. “Com ela, os fabricantes de baterias podem produzir baterias de metal de lítio mais seguras, com alta densidade de energia e um longo ciclo de vida”. Segundo ele, baterias com o novo eletrólito também podem ser usadas em aviões elétricos.
Abordagem suave
A chave para o design desses novos eletrólitos é o uso de polímeros moles de microporosidade intrínseca (PIMs), cujos poros são preenchidos com partículas de cerâmica. Por se tratar de um material flexível, macio e sólido, os fabricantes poderão produzir rolos de folhas de lítio com o eletrólito como um laminado entre o ânodo e o separador de baterias. Esses subconjuntos de eletrodos de lítio (LESAs) são grandes substitutos dos ânodos de grafite convencional, permitindo que os fabricantes usem suas linhas de montagem existentes.
Para demonstrar as propriedades de supressão de dendritos de sua tecnologia, a equipe de Helms usou raios X na Fonte de Luz Avançada do Laboratório Berkeley para criar imagens em 3D da interface entre o metal de lítio e o eletrólito, e para visualizar a decapagem e o revestimento do lítio por até 16 horas em alta corrente. Observou-se crescimento contínuo suave de lítio quando o eletrólito PIM estava presente, enquanto na sua ausência a interface mostrava sinais dos estágios iniciais do crescimento de dendritos.
Esse e outros dados confirmaram as previsões de um novo modelo físico para a eletrodeposição do lítio, levando em consideração as características químicas e mecânicas dos eletrólitos sólidos.
A 24M Technologies, premiada no programa IONICS da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada em Energia (ARPA-E), integrou esses materiais em baterias maiores para aeronaves elétricas e veículos elétricos de decolagem e aterrissagem vertical (eVTOL).
“Embora existam requisitos de energia exclusivos para EVs e eVTOLs, a tecnologia de eletrólito sólido composto PIM parece ser versátil e possibilita alta potência”, explicou Helms.
Via: Tech Xplore
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