Nova Estratégia de Interface Melhora o Fluxo de Íons em Baterias de Estado Sólido

As baterias de íon de lítio se tornaram o padrão global. Hoje, é o tipo de bateria mais popular e amplamente utilizado, com seu mercado estimado em cerca de $65 bilhões em 2023.

Mas, claro, elas não estão sem desvantagens, incluindo sensibilidade à temperatura, preocupações de segurança e vida útil limitada.

Para tornar as baterias de íon de lítio mais seguras e poderosas, os eletrólitos líquidos estão sendo substituídos por eletrólitos sólidos para criar baterias de estado sólido, cujo mercado está projetado para crescer a uma taxa de 41,6% entre 2024 e 2032.

Uma Mudança para Baterias de Estado Sólido (SSBs)

Em uma bateria, o eletrólito é o material que torna possível o movimento de íons através do dispositivo para gerar energia.

Então, uma bateria que tem um eletrólito sólido é uma bateria de estado sólido, que fornece maior densidade de energia, carregamento mais rápido, resistência à temperatura, maior vida útil e segurança melhorada.

Apesar de sua promessa, as SSBs também enfrentam vários desafios, incluindo fabricação complexa e preocupações de segurança potenciais relacionadas à formação de dendritos. Além disso, elas podem experimentar delaminação interfacial, limitando seu desempenho e vida útil. Juntos, essas limitações estão impedindo a adoção generalizada das SSBs.

Para superar esses desafios, pesquisadores e empresas em todo o mundo estão ativamente trabalhando no avanço da tecnologia.

Por exemplo, a Samsung SDI está visando uma densidade de energia de 900 Wh/L por meio de sua tecnologia de eletrólito sólido e anodo sem fio proprietária, 40% maior do que suas baterias atuais.

Os gigantes chineses CATL e BYD também estão fazendo progressos significativos na tecnologia de SSB, com o primeiro trabalhando em uma bateria de estado condensado híbrida e o segundo pesquisando eletrólitos sólidos baseados em óxido e sulfeto, ambos visando uma densidade de energia de 500 Wh/kg.

Na UE, a Volkswagen se associou à QuantumScape (QS ). Sua unidade de baterias, PowerCo, também garantiu um acordo de licenciamento para produzir em massa células de estado sólido com uma capacidade inicial de 40 GWh por ano, 30% mais de alcance e carregamento ultra-rápido.

A Nissan planeja começar a produção em massa de suas primeiras células de estado sólido antes do final da década, enquanto a LG está visando 2030 para a comercialização. A Solid Power, por sua vez, se associou à Ford (F ), BMW e SK Innovation para acelerar a comercialização da tecnologia de bateria de estado sólido com foco em eletrólitos sólidos baseados em sulfeto para VE.

No início deste mês, a empresa automotiva multinacional alemã Mercedes-Benz Group AG (anteriormente Daimler) apresentou o primeiro carro movido por uma bateria de lítio de estado sólido na estrada. O protótipo de SSB foi integrado a um veículo EQS no final do ano passado.

A SSB em um veículo baseado no EQS pode aumentar a autonomia em 25%, observou a empresa.

Então, embora em andamento, a comercialização das SSBs ainda está alguns anos à frente. Enquanto isso, uma equipe de pesquisadores da Universidade do Texas em Dallas descobriu uma maneira de melhorar o desempenho das baterias de estado sólido.

Melhorando a Condutividade Iônica em SSBs

Publicado em ACS Energy Letters, o estudo mais recente detalha a descoberta de uma condutividade iônica aprimorada¹ ao misturar um eletrólito sólido com outro sólido.

Essa condutividade iônica aumentada é causada pela formação de uma camada de carga espacial na interface, fornecendo uma nova estratégia para desenvolver condutores iônicos rápidos para SSBs. A ‘camada de carga espacial’, como resultado da mistura de partículas pequenas entre dois eletrólitos sólidos, é um acúmulo de carga elétrica na interface entre os dois materiais.

O que acontece é que, quando os materiais de eletrólito sólido, que são separados, entram em contato físico, uma camada é formada em sua fronteira. Na fronteira, partículas carregadas se acumulam devido às diferenças no potencial químico de cada material.

A camada, então, ajuda a criar caminhos que tornam mais fácil o movimento dessas partículas carregadas ou íons através da interface. De acordo com o coautor correspondente do estudo, Dr. Laisuo Su, que é professor assistente de ciência e engenharia de materiais na Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science:

“Imagine misturar dois ingredientes em uma receita e obter um resultado que é melhor do que qualquer ingrediente isolado.”

Ele adicionou:

“Esse efeito melhorou o movimento de íons além do que qualquer material poderia alcançar por si só”,

O Dr. Su está focado em desenvolver materiais revolucionários para dispositivos de energia renovável no espaço de baterias recarregáveis. Além de ter um interesse especial em eletrólitos, tanto sólidos quanto líquidos, bem como na interface eletrólito-eletrodo, onde reações cruciais ocorrem, ele está trabalhando na construção de ferramentas avançadas para monitorar reações químicas e eletroquímicas que ocorrem em equipamentos de energia renovável.

“Essa descoberta sugere uma nova maneira de projetar eletrólitos sólidos melhores, escolhendo cuidadosamente materiais que interajam de uma maneira que melhore o movimento iônico, potencialmente levando a baterias de estado sólido de melhor desempenho.”

– Dr. Su

Como parte da iniciativa BEACONS (Baterias e Energia para Avançar a Comercialização e Segurança Nacional) da UTD, que recebeu um financiamento de $30 milhões do Departamento de Defesa em 2023, o projeto visa desenvolver e comercializar novas tecnologias de bateria e processos de fabricação, melhorar a disponibilidade doméstica de matérias-primas críticas e treinar trabalhadores de alta qualidade para a indústria.

De acordo com o coautor do estudo, Dr. Kyeongjae Cho & que também é professor de ciência e engenharia de materiais e diretor do BEACONS:

“A tecnologia de bateria de estado sólido faz parte de nossas pesquisas de química de bateria de próxima geração no centro BEACONS, e é esperado que permita sistemas de bateria avançados para melhorar o desempenho de drones para aplicações de defesa.”

As baterias de íon de lítio atualmente usadas em produtos de consumo incluem principalmente eletrólitos líquidos, que são inflamáveis e, portanto, apresentam problemas de segurança.

Com as baterias de íon de lítio convencionais atingindo seu limite teórico de quanto de energia elas podem armazenar, as SSBs, de acordo com o Dr. Su, mostram promessa para gerar e armazenar mais do que o dobro de energia do que as baterias com eletrólitos líquidos. E, como elas não são inflamáveis, também são mais seguras.

Mover íons através de materiais sólidos, no entanto, é difícil, o que cria desafios no desenvolvimento de baterias de estado sólido.

Então, os pesquisadores estudaram o desempenho de dois compostos de eletrólito de estado sólido (SSE) promissores. Isso inclui cloreto de zircônio de lítio (Li2ZrCl6) e cloreto de ítrio de lítio (Li3YCl6).

Os pesquisadores então propuseram uma teoria sobre por que a mistura desses compostos melhora a atividade iônica. “A interface formada canais únicos para o transporte de íons”, disse o Dr. Su.

Em frente, os pesquisadores continuarão a estudar como a composição e a estrutura da interface resultam em maior condutividade iônica.

Resolvendo o Problema de Dendritos em SSBs

A necessidade de baterias com densidades de energia mais altas levou outra equipe de pesquisadores a trabalhar no problema crítico dos dendritos.

Originalmente, pensava-se que os dendritos não poderiam penetrar o eletrólito sólido. Mas, assim como outras arquiteturas de bateria, eles também são um problema para as baterias de estado sólido.

Uma equipe de engenheiros e cientistas de materiais de várias instituições na China descobriu² que a fadiga do metal no ânodo é uma das principais razões pelas quais as SSBs falham com o tempo. Isso também contribui para a degradação da interface e o crescimento de dendritos.

O grupo usou microscopia eletrônica de varredura e simulações de campo de fase para estudar o crescimento de dendritos em baterias de lítio de estado sólido.

O que eles descobriram foi que, durante a carga e descarga, o constante inchaço e contração do lítio causou fadiga do metal no ânodo, o que promoveu o crescimento de dendritos. Mais especificamente, o constante expansão e contração foram encontrados como causadores do desenvolvimento de microvazios e rachaduras no ânodo, o que levou ao crescimento de dendritos e degradação, mesmo em baixas densidades.

Quanto a o que é um dendrito, é uma estrutura semelhante a uma árvore que se forma devido a reações químicas na superfície do ânodo.

Os ânodos em uma bateria passam por processos de deposição e remoção de lítio durante os ciclos de carga e descarga. Nesse processo reversível, os íons de lítio são depositados na superfície do ânodo (deposição) e removidos (remoção) dela durante as operações normais de ciclo (carregamento e descarregamento) da bateria.

Uma deposição não uniforme de íons de lítio na superfície do ânodo, no entanto, tende a produzir sites que atraem mais íons de lítio, o que leva a uma cadeia de íons de lítio crescendo mais longa. A estrutura semelhante a uma árvore, então, penetra na bateria, quebrando a estrutura da bateria e causando um curto-circuito.

Em SSBs, há uma grande área de contato entre o metal de lítio e o eletrólito sólido. E, se algum vazio aparecer no eletrólito sólido, o metal de lítio rapidamente o preenche, causando uma formação grave de dendritos e propagação de rachaduras profundas no eletrólito.

Então, Haegyeom Kim, um cientista de materiais do Lawrence Berkeley National Laboratory, na Califórnia, publicou³ uma solução para esse problema.

Seu estudo detalha o uso de uma camada de buffer dupla de estanho-carbono no coletor de corrente para prevenir a formação de dendritos em baterias de estado sólido sem ânodo (ASSBs). Nessa arquitetura de SSB, um ânodo não é construído previamente, mas sim é formado durante o primeiro ciclo de carga no coletor de corrente pelos íons de lítio do catodo para reduzir a complexidade, o peso e o custo.

Um artigo anterior de pesquisadores da Samsung mostrou a possibilidade de usar camadas de prata e carbono como uma camada de buffer em baterias de lítio, possuindo um ciclo de deposição e remoção de lítio muito estável e uniforme.

Ao estudar por que isso era eficaz, a equipe de Kim descobriu que a prata é muito litófila, e os íons de lítio se alinham uniformemente sobre sua camada, mesmo quando há altas concentrações de lítio, tornando a deposição de lítio muito homogênea, desde que a deposição de prata seja uniforme.

Entendendo o papel do carbono aqui, no entanto, formou a base para o novo trabalho, onde a equipe selecionou o estanho, que funciona melhor do que a prata cara.

Para descobrir o papel do carbono, a equipe projetou vários testes e usou quatro células de bateria de meia-célula. Uma com uma camada de buffer de estanho, uma sem camada de buffer, uma com estanho sobre a camada de buffer de carbono e uma com carbono sobre a camada de buffer de estanho.

As camadas foram depositadas sobre um coletor de corrente de aço inoxidável, e a camada de buffer com o carbono sobre o estanho mostrou o melhor desempenho.

“Nós percebemos que o estanho age como uma camada litófila, como a prata, então a posição do estanho é importante, pois é onde ocorre a deposição.”

– Kim

A camada de carbono foi encontrada como litofóbica, o que significa que os íons de lítio tinham dificuldade em se mover através dessa camada, preferindo ir na direção oposta. Colocá-la sobre o estanho impediu a migração de lítio da camada de deposição recém-desenvolvida sobre o estanho e impediu a penetração de dendritos no eletrólito.