Descoberta 4D STEM da Mizzou: Melhorando a Eficiência das Baterias de Estado Sólido

As baterias de estado sólido estão em foco atualmente. Elas vêm ganhando terreno de forma constante em eletrônicos de consumo e veículos elétricos, representando a maior fatia do mercado global de baterias de estado sólido em 2022.

Pesquisadores estimam que as aplicações de baterias de estado sólido no setor de veículos elétricos crescerão exponencialmente na próxima década, atingindo um tamanho de mercado de US$4.3 billion by 2032. Existem razões pelas quais as baterias de estado sólido estão preparadas para um crescimento exponencial. Essencialmente, elas referem-se a uma tecnologia de bateria que usa um eletrólito sólido em vez de eletrólitos líquidos, como usado na tecnologia de íons de lítio. 

As células de estado sólido consistem em um cátodo, um separador e um ânodo. O cátodo pode ser feito com os mesmos compostos de uma bateria de íons de lítio. Em contraste, o separador é geralmente feito de cerâmica ou polímero sólido, que também funciona como eletrólito. O ânodo é feito de metal de lítio. 

Quando carregadas, as partículas de lítio dentro dessas baterias se movem do cátodo através da estrutura atômica do separador e do contato elétrico do ânodo, formando uma camada sólida de lítio puro. O processo garante que o ânodo seja composto exclusivamente por partículas de lítio e tenha um volume menor que o ânodo de tecnologia de íons de lítio com estrutura de grafite. 

Embora essas baterias ainda estejam em fase de desenvolvimento, elas prometem múltiplas melhorias em relação às baterias atuais, incluindo maior densidade de energia, vida útil mais longa, segurança aprimorada e tamanho menor. A perspectiva promissora que as baterias de estado sólido oferecem tornou esse campo atraente para os cientistas explorarem mais a fundo e verem o que pode ser feito com elas.

Um comunicado de imprensa recente sobre uma pesquisa da Universidade de Minnesota afirma que os pesquisadores estão “cracking the code on solid-state batteries.” Nos próximos trechos, analisaremos as razões que sustentam essa afirmação ousada. 

O que os Pesquisadores da Universidade de Minnesota Conquistaram

A pesquisa, intitulada Understanding Cathode–Electrolyte Interphase Formation in Solid State Li-Ion Batteries via 4D-STEM¹, demonstra um fluxo de trabalho simples para estudar a formação da interfaça cátodo‑eletrólito (CEI) usando microscopia eletrônica de transmissão de varredura 4D (4D‑STEM) que não requer montagem de SS‑LIB.

Nos pontos de contato entre o eletrólito sólido e o material ativo do cátodo em baterias de íons de lítio de estado sólido, formam‑se camadas de interfase, aumentando a impedância da célula. Os pesquisadores eliminam a necessidade de montagem de SS‑LIB e demonstram os benefícios do MoCl5:EtOH como agente químico de des‑litição, juntamente com pó de cátodo LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 (NMC) des‑litiado quimicamente em contato com pó SE Li10GeP2S12 (LGPS), como um substituto da CEI de SS‑LIB.

Os pesquisadores mapearam a composição e a estrutura das camadas CEI usando 4D‑STEM, espectroscopia de raios X dispersiva de energia (EDS) e electron pair distribution function analysis (ePDF). Seus achados sugerem que revestimentos que bloqueiam o transporte de ânions enquanto permitem o transporte de íons de lítio e elétrons podem impedir a formação da interfase e reduzir a impedância em SS‑LIBs. 

Ao descrever a natureza do revestimento, Young disse:

“Os revestimentos precisam ser finos o suficiente para impedir reações, mas não tão espessos a ponto de bloquear o fluxo de íons de lítio. Nosso objetivo é manter as características de alto desempenho do eletrólito sólido e dos materiais do cátodo. Nossa meta é usar esses materiais juntos sem sacrificar seu desempenho para compatibilidade.”

Tudo isso pode parecer muito técnico, mas há uma perspectiva mais simples para entender a conquista da pesquisa.

Clique aqui para saber sobre uma descoberta de bateria que traz as variantes de estado sólido um passo mais perto da realidade.

Lidando com o Problema do Eletrólito Líquido

As baterias de íons de lítio dependem de eletrólitos líquidos, que podem pegar fogo se danificados ou superaquecidos. Os pesquisadores da Universidade do Missouri abordaram esse problema desenvolvendo técnicas eficientes para substituir líquidos ou eletrólitos em gel por eletrólitos sólidos.

Explicando como sua solução funciona, o Professor Assistente Matthias Young, que tem cargos conjuntos nas Faculdades de Engenharia e de Artes e Ciências da Mizzou, disse:

“Quando o eletrólito sólido toca o cátodo, ele reage e forma uma camada de interfase de cerca de 100 nanômetros de espessura — 1.000 vezes menor que a largura de um único fio de cabelo humano. Essa camada bloqueia os íons de lítio e os elétrons de se moverem facilmente, aumentando a resistência e prejudicando o desempenho da bateria.”

A Descoberta Mais Significativa

No entanto, a conquista mais significativa da equipe de pesquisa foi o uso da microscopia eletrônica de transmissão de varredura quatro‑dimensional (4D STEM). O que tornou isso revolucionário foi a capacidade de examinar a estrutura atômica da bateria sem desmontá‑la, permitindo obter uma compreensão fundamental das reações químicas internas e determinar a extensão dos danos causados pela camada de interfase. 

Do ponto de vista dos potenciais usuários dessas baterias, a pesquisa e suas implicações têm grande potencial. 

Benefícios Reais Esperados

Montadoras globais estão entusiasmadas com as baterias de estado sólido porque elas oferecerão maior segurança e estabilidade térmica. A pesquisa que acabamos de discutir é um avanço nessa direção — um passo extremamente significativo. Além disso, a pesquisa pode levar a melhorias na segurança, desempenho, vida útil das baterias, custo e impacto ambiental. 

Cientistas de baterias ao redor do mundo estão otimistas de que a nova geração de baterias de estado sólido, que surgirá como resultado de pesquisas como esta, eventualmente superará duas limitações principais das baterias convencionais de íons de lítio. Os cátodos ricos em níquel permitirão que a indústria de baterias use menos cobalto no cátodo. Em segundo lugar, as químicas de estado sólido permitirão que os fabricantes de baterias utilizem metal de lítio no ânodo.

O primeiro fator é crucial para o crescimento desse setor porque o cobalto é escasso, caro e difícil de minerar. Ele provém de países com legislações de mineração fracas. Os pesquisadores acreditam que o uso de lítio no ânodo tem grande alcance, pois aumenta a densidade de energia e promove a segurança.

Falando sobre o uso de metal de lítio, Helena Braga, professora associada de física de engenharia na Universidade do Porto em Portugal e pesquisadora reconhecida que trabalhou com Nobel Prize winner John Goodenough em baterias de estado sólido há uma década, disse:

“É por isso que iniciamos essa jornada (de estado sólido) em primeiro lugar — para podermos usar metal de lítio.”

No conjunto, essa tecnologia e técnica baseada em pesquisa podem levar a designs de baterias aprimorados com desempenho e segurança aprimorados, potencialmente impactando eletrônicos de consumo e veículos elétricos dentro de 3‑7 anos.​

No entanto, o valor real de tal pesquisa dependerá de quão bem as empresas que fabricam baterias de estado sólido a adotarem e escalarem. No segmento a seguir, discutimos uma dessas empresas, Solid Power, Inc. (SLDP ), que se especializa em tecnologia de baterias totalmente de estado sólido, focando em soluções de armazenamento de energia mais seguras e eficientes.​

Solid Power, Inc.  

A Solid Power se posiciona como fornecedora de all-solid-state battery cell technology que oferece melhorias chave em relação à tecnologia de íons de lítio baseada em líquido convencional de hoje e às células híbridas de próxima geração, incluindo alta energia, segurança aprimorada, vida útil mais longa e economia de custos. 

As baterias da Solid Power permitem o uso de eletrodos de maior capacidade, como silício de alto teor e metal de lítio, para alcançar desempenho de alta energia. Elas se tornam mais seguras ao eliminar a necessidade dos componentes líquidos e em gel reativos e voláteis. Como resultado, podem suportar e operar em temperaturas extremamente altas. A empresa acredita que suas baterias podem oferecer uma vantagem de custo de 15‑35 % em relação às baterias de íons de lítio existentes ao nível do pacote. 

Nos próximos trechos, discutimos as três variedades de baterias de estado sólido da Solid Power. 

Célula EV de Silício 

Essas células vêm com um ânodo de silício de alto teor que oferece altas taxas de carga e capacidades de temperatura mais baixa. Essas baterias são alimentadas pelos eletrólitos sólidos à base de sulfeto proprietários da empresa. Por fim, seu cátodo NMC é padrão da indústria e comercialmente maduro. 

Metal de Lítio

As baterias Solid Power Lithium Metal vêm com metal de lítio e ânodo de alta energia. Esta categoria de baterias também é alimentada pelos eletrólitos sólidos à base de sulfeto proprietários da Solid Power e pelos cátodos NMC padrão da indústria e comercialmente maduros. 

Célula de Reação de Conversão 

Finalmente, chegamos à categoria de baterias de célula de reação de conversão, que apresentam metal de lítio, ânodo de alta energia, eletrólitos sólidos à base de sulfeto de custo ultra‑baixo e cátodo de tipo conversão com alta energia específica. 

A tecnologia de bateria da Solid Power tem eletrólitos sólidos à base de sulfeto como uma de suas bases mais formidáveis. A tecnologia garante a remoção completa do eletrólito líquido inflamável e da camada separadora de polímero em uma bateria tradicional de íons de lítio e a substitui por uma camada sólida que, apesar de fina, atua como barreira para impedir que o ânodo e o cátodo se toquem, o que causaria curto‑circuito na bateria. Ela também funciona como um eletrólito condutor. O eletrólito sólido à base de sulfeto da Solid Power oferece a melhor combinação de condutividade, fabricabilidade e desempenho em nível de célula. 

A tecnologia central de eletrólito sólido à base de sulfeto da Solid Power utiliza materiais abundantes na Terra. A empresa espera escalar a produção de seu eletrólito para alimentar 800.000 veículos eletrificados por meio de suas células de bateria totalmente de estado sólido anualmente até 2028.

SLDP: Atualizações Recentes

Em dezembro de 2024, a Solid Power anunciou a extension of its partnership with Ford through 2025. A terceira emenda ao acordo de desenvolvimento conjunto refletiu o compromisso contínuo entre a Solid Power e a Ford de avançar os limites do desempenho das baterias de veículos elétricos. 

Os relatórios citaram a extensão da parceria como um passo significativo para o trabalho da Solid Power na comercialização de sua tecnologia de baterias de estado sólido. A parceria estendida com a Ford, uma das principais montadoras globais, destacou o impacto potencial da tecnologia da Solid Power na indústria automotiva.

Em janeiro de 2025, a empresa firmou um significant financial agreement with the U.S. Department of Energy (DOE). A empresa anunciou que garantiu até US$ 50 milhões em financiamento para aprimorar suas capacidades de produção de material de eletrólito sólido à base de sulfeto, essencial para baterias de próxima geração.

O financiamento veio como parte de um Acordo de Assistência com data efetiva de 1 de janeiro de 2025, que estipulou que a Solid Power contribuiria com US$ 60 milhões de seus recursos como parte do arranjo de compartilhamento de custos. O investimento tinha como objetivo apoiar a instalação de equipamentos necessários para produção contínua, o que se espera que fortaleça a escala de manufatura da empresa.

Como parte do acordo, a Solid Power foi obrigada a cumprir requisitos específicos de relatório e obrigações de conformidade. O apoio do DOE ressaltou a importância de avançar a tecnologia de baterias para armazenamento de energia e veículos elétricos, setores críticos para a transição para uma economia de baixo carbono.

A parceria da empresa com o DOE foi um passo estratégico para acelerar a comercialização de baterias de estado sólido, que prometem maior densidade de energia, segurança aprimorada e vida útil mais longa em comparação com as baterias convencionais de íons de lítio.

No âmbito financeiro, Solid Power delivered $20.1 million em receita durante 2024, um aumento de US$ 2,7 milhões em comparação com 2023. As despesas operacionais foram de US$ 125,5 milhões em 2024, up from US$ 108,0 milhões em 2023, impulsionadas por custos aumentados de pesquisa e desenvolvimento para melhorar o desempenho de seu eletrólito e designs de células, produção de eletrólito, compras de equipamentos que apoiam os acordos com a SK On, e escalonamento de operações, incluindo o estabelecimento de operações na Coreia. O prejuízo operacional para 2024 foi de US$ 105,3 milhões, enquanto o prejuízo líquido foi de US$ 96,5 milhões, ou US$ 0,54 por ação.

“Em 2025, a Solid Power continuará impulsionando o desenvolvimento da tecnologia ASSB ao melhorar o desempenho do eletrólito por meio do feedback de nossa equipe de desenvolvimento de células, atendendo aos requisitos de parceiros e solicitações de clientes, continuando a inovar tanto em tecnologias de eletrólitos quanto de células, e mantendo disciplina financeira enquanto investe estrategicamente em desenvolvimento e capacidades.”

– John Van Scoter, Presidente e Diretor Executivo da Solid Power

Bateria de Estado Sólido: Olhando para o Futuro

O futuro das baterias de estado sólido parece empolgante, repleto de potencial de inovação. Em 2024, por exemplo, pesquisadores da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) developed a new lithium metal battery que poderia ser carregada e descarregada pelo menos 6.000 vezes — mais que qualquer outra célula de bateria tipo pouch — e poderia ser recarregada em questão de minutos.

De acordo com Xin Li, Professor Associado de Ciência dos Materiais no SEAS e autor sênior do artigo que detalhou a pesquisa e foi publicado na Nature Materials:

“As baterias de ânodo de metal de lítio são consideradas o santo graal das baterias porque têm dez vezes a capacidade dos ânodos de grafite comerciais e poderiam aumentar drasticamente a autonomia de veículos elétricos.”

Em sua pesquisa, Li e sua equipe impediram a formação de dendritos usando partículas de silício de tamanho micrômetro no ânodo para restringir a reação de litição e facilitar a deposição homogênea de uma camada espessa de metal de lítio. Quando os íons de lítio se moveram do cátodo para o ânodo durante o carregamento, a reação de litição foi restringida na superfície rasa, e os íons foram aderidos à superfície da partícula de silício sem penetrar mais. 

“Em nosso design, o metal de lítio se enrola ao redor da partícula de silício, como uma casca de chocolate dura ao redor de um núcleo de avelã em uma trufa de chocolate.”

– Li

As partículas revestidas formaram uma superfície homogênea, garantindo uma distribuição uniforme da densidade de corrente e impedindo o crescimento de dendritos. E como a deposição e remoção podiam ocorrer rapidamente em uma superfície uniforme, a bateria poderia recarregar em apenas cerca de 10 minutos. 

Os pesquisadores desenvolveram uma versão de célula pouch do tamanho de um selo postal da bateria, 10 a 20 vezes maior que a célula tipo moeda feita na maioria dos laboratórios universitários. A bateria manteve 80 % de sua capacidade após 6.000 ciclos, superando outras baterias tipo pouch da mesma categoria. No processo, os pesquisadores revelaram dezenas de outros materiais que poderiam potencialmente oferecer desempenho semelhante. Segundo Li:

“Pesquisas anteriores descobriram que outros materiais, incluindo prata, poderiam servir como bons materiais no ânodo para baterias de estado sólido.”

Para tornar o processo universal, uma equipe de pesquisadores publicou um artigo sobre benchmarking the reproducibility of all-solid-state battery cell performance.² Os pesquisadores observaram que a comparabilidade interlaboratorial e a reprodutibilidade do desempenho de ciclagem de células de bateria totalmente de estado sólido eram pouco compreendidas devido à falta de configurações padronizadas e parâmetros de montagem.

Os pesquisadores sugeriram um conjunto de parâmetros para relatar os resultados de ciclagem de baterias de estado sólido e defenderam a divulgação de dados em triplicata. Por exemplo, uma tensão de circuito aberto inicial de 2,5 e 2,7 V vs. Li⁺/Li foi um bom preditor de ciclagem bem-sucedida para células usando esses materiais eletroativos.

A padronização da fabricação de baterias de estado sólido é crucial porque sua usabilidade é diversa. Enquanto os fabricantes de veículos elétricos estão entre os mais interessados em desenvolver baterias de estado sólido eficientes, até mesmo NASA researchers reported making progress com o desenvolvimento de um pacote de bateria inovador que era mais leve, mais seguro e apresentava melhor desempenho do que as baterias comumente usadas em veículos e grandes eletrônicos atualmente. 

Os pesquisadores da NASA experimentaram novos materiais inovadores que ainda não haviam sido usados em baterias. A equipe percebeu cedo que a arquitetura de estado sólido lhes permitia mudar a construção e o empacotamento da bateria, reduzindo o peso enquanto aumentava a capacidade de armazenamento de energia. Eles demonstraram que baterias de estado sólido poderiam alimentar objetos com a enorme capacidade de 500 watt‑hora por quilograma — o dobro do de um carro elétrico.

“Não só esse design elimina de 30 a 40 por cento do peso da bateria, como também nos permite dobrar ou até triplicar a energia que ela pode armazenar, superando amplamente as capacidades das baterias de íons de lítio que são consideradas o estado da arte.”

– Rocco Viggiano, investigador principal do SABERS

SABERS é um acrônimo para a atividade designada pela NASA, ‘Solid-state Architecture Batteries for Enhanced Rechargeability and Safety.’

Como o nome sugere, o futuro das baterias de estado sólido prosperará nesses aspectos de recarga rápida e segurança. Os fabricantes buscarão cada vez mais desenvolver baterias que recarreguem mais rápido sem tornar o processo inseguro.

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