Dois avanços colocam baterias de estado sólido mais próximas da realidade

Baterias sólidas à base de argirodita

Pesquisadores estão obtendo avanços cada vez mais rápidos rumo à aplicação prática das baterias de estado sólido, a próxima geração de baterias, que armazenarão mais energia, serão mais seguras e carregarão mais rápido do que as baterias de íons de lítio atuais, que usam eletrodos líquidos.

Jinsong Zhang e colegas do Instituto Paul Scherrer, na Suíça, atacaram de uma vez só duas grandes deficiências dessa tecnologia emergente, considerada o caminho mais promissor para a eletromobilidade, a eletrônica móvel e o armazenamento estacionário de energia. Reator nuclear sustentável

A primeira deficiência é a formação de dendritos, estruturas metálicas em forma de agulha que são as grandes responsáveis pelas explosões, incêndios e pela redução na vida útil das baterias de íons de lítio. O segundo é a instabilidade eletroquímica das baterias de estado sólido, que surge na interface entre o ânodo de lítio metálico e o eletrólito sólido, prejudicando o desempenho e a confiabilidade da bateria a longo prazo.

A solução foi encontrada em um mineral chamado argirodita. Em sua forma natural, esse mineral da classe dos sulfetos consiste em uma combinação de prata, germânio e enxofre, mas seus componentes individuais podem ser substituídos por vários outros átomos sem que a estrutura típica do mineral se altere, abrindo caminho para se obter diversas funcionalidades a custos mais baixos.

O que a equipe conseguiu foi construir uma versão funcionalizada da argirodita com uma elevada densidade, alta o suficiente para impedir a formação de vazios que acabam permitindo a formação de dendritos de lítio. E tudo foi feito em condições amenas, no que a equipe chama de “sinterização suave”, usando temperaturas de apenas 80 ºC.

Em testes de laboratório com células tipo botão, a bateria apresentou um desempenho extraordinário sob condições exigentes. “Sua estabilidade de ciclo em alta voltagem foi notável,” disse Zhang. Após 1.500 ciclos de carga e descarga, a célula ainda retinha aproximadamente 75% de sua capacidade original, o que significa que três quartos dos íons de lítio ainda estavam migrando do cátodo para o ânodo.

“Nossa abordagem é uma solução prática para a produção industrial de baterias de estado sólido à base de argirodita,” disse o professor Mario El Kazzi, coordenador da equipe. “Com mais alguns ajustes, poderemos começar [a fabricá-las em larga escala].”

Acelerando os íons nos sólidos

Jae-Seung Kim e colegas do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) focaram seu trabalho na fabricação de baterias sólidas usando materiais mais baratos, para facilitar sua chegada ao mercado.

Substituir os eletrólitos líquidos atuais por eletrólitos sólidos é complicado porque os íons de lítio movem-se muito mais lentamente através dos sólidos, e os esforços para acelerá-los tipicamente dependem de metais caros ou técnicas de fabricação complexas.

Kim adotou outra estratégia, baseada no uso de “ânions divalentes”, como oxigênio e enxofre. Esses elementos influenciam a estrutura cristalina do eletrólito ao se tornarem parte de sua estrutura fundamental, o que altera a forma como os íons se movem dentro do material.

A equipe aplicou essa ideia a eletrólitos sólidos de baixo custo, feitos de haletos à base de zircônio (Zr). Ao introduzir cuidadosamente ânions divalentes, eles conseguiram ajustar com precisão a estrutura interna do material. Essa abordagem, conhecida como “mecanismo de regulação da estrutura”, expande os caminhos disponíveis para os íons de lítio e reduz a energia necessária para que eles se movam. Como resultado, os íons de lítio podem se deslocar de forma mais rápida e eficiente pelo material sólido.

Os resultados mostraram que os íons de lítio aumentaram sua mobilidade entre duas e quatro vezes, em comparação com os eletrólitos comuns de zircônio, o que significa que as baterias de lítio de estado sólido podem atingir níveis de desempenho adequados para uso no mundo real sem depender de materiais caros.

“Por meio desta pesquisa, apresentamos um princípio de projeto que pode melhorar simultaneamente o custo e o desempenho das baterias de estado sólido usando matérias-primas baratas. Seu potencial para aplicação industrial é muito alto,” disse o professor Dong-Hwa Seo, coordenador da equipe.