Baterias macias podem fazer a ponte entre as atuais e as sólidas

Baterias de estado sólido

É praticamente uma unanimidade que o futuro pertence às baterias de estado sólido. E ter eletrólitos sólidos faz uma diferença enorme: Essas baterias armazenarão mais energia, serão mais seguras e carregarão mais rápido do que as baterias de íons de lítio atuais, que usam eletrólitos líquidos.

Mas ainda há problemas a resolver, mesmo considerando os diversos tipos de eletrólitos sólidos pensados até agora: Os eletrólitos de estado sólido de óxido são quimicamente estáveis, mas não formam boas interfaces com os eletrodos; os de sulfeto apresentam alta condutividade, mas degradam-se no ar; e os eletrólitos sólidos de polímero são flexíveis, mas apresentam baixa condutividade à temperatura ambiente.

Como passar do líquido para o sólido diretamente está complicado, Yi-Cheng Deng, da Universidade Wuhan, na China, defende uma outra abordagem: Por que não trilhar um caminho do meio, fazendo um eletrólito “semi-sólido”, até encontrarmos os eletrólitos sólidos ideais?

Não é uma ideia exatamente nova: Deng descobriu que várias equipes já estão desenvolvendo materiais que permitem essa abordagem semi-sólida, baseada em eletrólitos macios, que mais se parecem com géis. Ele então fez um apanhado de todos os trabalhos, traçando um roteiro por onde as pesquisas deverão seguir.

Eletrólitos de estado sólido macios

Os eletrólitos de estado sólido macios têm sido construídos com base em duas estratégias complementares.

A primeira foi chamada pela equipe de compósitos de sinergia rígida-flexível: Esses materiais combinam polímeros flexíveis, líquidos iônicos ou cristais plásticos com materiais de preenchimento inorgânicos rígidos, tipicamente óxidos pulverizados em escala nanométrica. A fase flexível garante um contato estreito com o eletrodo, enquanto o componente rígido fortalece mecanicamente o eletrólito, suprime o crescimento de dendritos e facilita o transporte dos íons de lítio.

A segunda abordagem, conhecida como mecanismo de dessolvatação do lítio, emprega materiais de estrutura porosa, como as estruturas metal-orgânicas (MOFs) ou estruturas orgânicas covalentes (COFs). Os canais em nanoescala desses materiais ultraporosos funcionam como “gaiolas moleculares” que imobilizam moléculas de solvente do eletrólito, regulando assim a estrutura de solvatação dos íons de lítio. Esse mecanismo pode ampliar significativamente a janela de estabilidade eletroquímica e aumentar a compatibilidade com o lítio metálico.

Com base nos progressos relatados até o momento, Deng afirma que os eletrólitos de estado sólido macios oferecem um portfólio equilibrado: Maior condutividade iônica, integridade mecânica robusta, excelente adaptação interfacial e melhor processabilidade, todos fatores-chave para aplicações de baterias no mundo real.

Otimismo

Apesar do potencial dessas estratégias, ainda existem desafios a serem vencidos: No tocante aos aspectos intrínsecos da tecnologia, ainda é necessário obter uma dispersão mais homogênea dos componentes no interior das baterias e encontrar meios de estabilizar as interfaces multifásicas (sólida, gel e líquida) ao longo de ciclos prolongados. No tocante ao aspecto prático, é necessário desenvolver técnicas para ampliar a produção dos eletrólitos macios, viabilizando sua saída dos laboratórios rumo à indústria.

Assim, avanços futuros nessa área exigirão desenvolvimentos coordenados de materiais, projetos das arquiteturas das baterias e processos de fabricação em escala industrial.

Mas a equipe está otimista: “À medida que a pesquisa progride, os eletrólitos de estado sólido flexíveis estão prestes a acelerar a transição das baterias de estado sólido do laboratório para o mercado, apoiando, em última análise, o desenvolvimento de sistemas de armazenamento mais seguros e com maior densidade de energia para transportes e integração de energias renováveis.”