As baterias de metal de lítio com eletrólitos sólidos são uma tecnologia promissora devido à sua natureza leve e não inflamável, alta densidade de energia e capacidade de recarga rápida. No entanto, seu desenvolvimento foi prejudicado pela questão de curto-circuito e falha. Cientistas da Universidade de Stanford e do SLAC National Accelerator Laboratory afirmam ter resolvido esse mistério.
As novas baterias de metal de lítio com eletrólitos sólidos são leves, inflamáveis, acumulam muita energia e podem ser recarregadas muito rapidamente, mas demoraram a se desenvolver devido a misteriosos curtos-circuitos e falhas. Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford e Laboratório Nacional de Aceleradores SLAC dizem que resolveram o mistério.
Tudo se resume ao estresse – estresse mecânico para ser mais preciso – especialmente durante a recarga potente.
“Apenas um pequeno recuo, dobra ou torção das baterias pode causar a abertura de fissuras nanoscópicas nos materiais e a invasão do lítio no eletrólito sólido, causando um curto-circuito”, explicou o autor sênior William Chueh, professor associado de ciência e engenharia de materiais em a Escola de Engenharia e de ciências e engenharia de energia na nova Escola de Sustentabilidade Stanford Doerr.
“Mesmo poeira ou outras impurezas introduzidas na fabricação podem gerar estresse suficiente para causar falhas”, disse Chueh, que dirigiu a pesquisa com Wendy Gu, professor assistente de engenharia mecânica.
A representação deste artista mostra uma sonda dobrada pela pressão aplicada, causando uma fratura no eletrólito sólido, que está se enchendo de lítio. À direita, a sonda não pressiona o eletrólito e as placas de lítio na superfície da cerâmica, como desejado. Crédito: Cube3D
O problema da falha de eletrólitos sólidos não é novo e muitos estudaram o fenômeno. Abundam as teorias sobre qual é exatamente a causa. Alguns dizem que a culpa é do fluxo não intencional de elétrons, enquanto outros apontam para a química. No entanto, outros teorizam que diferentes forças estão em jogo.
Em um estudo publicado hoje (30 de janeiro) na revista natureza Energia, os co-autores Geoff McConohy, Xin Xu e Teng Cui explicam em experimentos rigorosos e estatisticamente significativos como defeitos em nanoescala e estresse mecânico causam a falha de eletrólitos sólidos. Cientistas de todo o mundo que tentam desenvolver novas baterias recarregáveis de eletrólito sólido podem contornar o problema ou até mesmo aproveitar a descoberta, como grande parte dessa equipe de Stanford está pesquisando agora. Baterias de metal de lítio densas em energia, de carregamento rápido e não inflamáveis, que duram muito tempo, podem superar as principais barreiras ao uso generalizado de veículos elétricos, entre vários outros benefícios.
Significado estatístico
Muitos dos principais eletrólitos sólidos de hoje são cerâmicos. Eles permitem o transporte rápido de íons de lítio e separam fisicamente os dois eletrodos que armazenam energia. Mais importante ainda, eles são à prova de fogo. Mas, como a cerâmica em nossas casas, eles podem desenvolver pequenas rachaduras em sua superfície.
Os pesquisadores demonstraram através de mais de 60 experimentos que a cerâmica é frequentemente imbuída de rachaduras, amassados e fissuras nanoscópicas, muitas delas com menos de 20 nanômetros de largura. (Uma folha de papel tem cerca de 100,000 nanômetros de espessura.) Durante o carregamento rápido, Chueh e sua equipe dizem que essas fraturas inerentes se abrem, permitindo a entrada do lítio.
Um vídeo de microscopia eletrônica de varredura que mostra o revestimento de lítio à medida que ocorre em um eletrólito sólido. Crédito: Xin Xu, Geoff McConohy e Wenfang Shi
Em cada experimento, os pesquisadores aplicaram uma sonda elétrica a um eletrólito sólido, criando uma bateria em miniatura, e usaram um microscópio eletrônico para observar o carregamento rápido em tempo real. Posteriormente, eles usaram um feixe de íons como bisturi para entender por que o lítio se acumula na superfície da cerâmica em alguns locais, como desejado, enquanto em outros pontos ele começa a se enterrar, cada vez mais fundo, até que o lítio faça uma ponte sobre o eletrólito sólido. , criando um curto-circuito.
A diferença é a pressão. Quando a sonda elétrica apenas toca a superfície do eletrólito, o lítio se acumula lindamente sobre o eletrólito, mesmo quando a bateria é carregada em menos de um minuto. No entanto, quando a sonda pressiona o eletrólito de cerâmica, imitando as tensões mecânicas de indentação, dobra e torção, é mais provável que a bateria entre em curto-circuito.
Teoria na prática
Uma bateria de estado sólido do mundo real é feita de camadas sobre camadas de folhas de cátodo-eletrólito-ânodo empilhadas umas sobre as outras. O papel do eletrólito é separar fisicamente o cátodo do ânodo, mas permitir que os íons de lítio viajem livremente entre os dois. Se o cátodo e o ânodo se tocarem ou estiverem conectados eletricamente de alguma forma, como por um túnel de lítio metálico, ocorre um curto-circuito.
Como mostram Chueh e sua equipe, mesmo uma dobra sutil, uma leve torção ou uma partícula de poeira presa entre o eletrólito e o ânodo de lítio causará fendas imperceptíveis.
"Dada a oportunidade de penetrar no eletrólito, o lítio acabará abrindo caminho, conectando o cátodo e o ânodo", disse McConohy, que concluiu seu doutorado no ano passado trabalhando no laboratório de Chueh e agora trabalha na indústria. “Quando isso acontece, a bateria falha.”
Co-autores principais do novo estudo, da esquerda, Xin Yu, Teng Cui e Geoff McConohy sentados em frente ao feixe de íons focalizado/microscópio eletrônico de varredura usado para esta pesquisa. Crédito: Xin Xu
A nova compreensão foi demonstrada repetidamente, disseram os pesquisadores. Eles gravaram um vídeo do processo usando microscópios eletrônicos de varredura – os mesmos microscópios que foram incapazes de ver as fissuras nascentes no eletrólito puro não testado.
É um pouco como um buraco aparece em uma calçada perfeita, explicou Xu. Através da chuva e da neve, os pneus dos carros jogam água nas minúsculas imperfeições pré-existentes no pavimento, produzindo rachaduras cada vez maiores que crescem com o tempo.
“O lítio é, na verdade, um material macio, mas, como a água na analogia do buraco, basta a pressão para alargar a lacuna e causar uma falha”, disse Xu, um bolsista de pós-doutorado no laboratório de Chueh.
Com seu novo entendimento em mãos, a equipe de Chueh está procurando maneiras de usar essas mesmas forças mecânicas intencionalmente para endurecer o material durante a fabricação, da mesma forma que um ferreiro recoze uma lâmina durante a produção. Eles também estão procurando maneiras de revestir a superfície do eletrólito para evitar rachaduras ou repará-las se surgirem.
“Todas essas melhorias começam com uma única pergunta: por quê?”, disse Cui, um bolsista de pós-doutorado no laboratório de Gu. “Somos engenheiros. A coisa mais importante que podemos fazer é descobrir por que algo está acontecendo. Uma vez que sabemos disso, podemos melhorar as coisas.”
Referência: “Regulação mecânica da probabilidade de intrusão de lítio em eletrólitos sólidos de granada” 30 de janeiro de 2023, natureza Energia.
DOI: 10.1038/s41560-022-01186-4
Chueh também é membro sênior do Precourt Institute for Energy em Stanford e cientista do corpo docente do SLAC. Os coautores do estudo não mencionados acima são os estudantes de doutorado de Stanford, Edward Barks, Sunny Wang e Emma Kaeli, e a pesquisadora de pós-doutorado Celeste Melamed.
Financiamento: Samsung Advanced Institute of Technology, Vehicle Technologies Office, Stanford StorageX Initiative
