Cientistas criam bateria de estado sólido total trocando grafite por silício

Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego, nos EUA, desenvolveram um novo tipo de bateria de estado sólido utilizando um ânodo de silício em vez de grafite. Após os primeiros testes, a célula se mostrou mais segura, duradoura e com grande capacidade energética durante os ciclos de carregamento.

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Os ânodos de silício possuem uma densidade de energia 10 vezes maior do que os ânodos de grafite usados nas baterias convencionais de íons de lítio. O problema é que eles se degradam rapidamente à medida que essas baterias são carregadas e descarregadas por conta da interação come eletrólitos líquidos.

“Demonstramos que nossa bateria oferece 500 ciclos de carga e descarga com 80% de retenção de capacidade em temperatura ambiente, o que representa um progresso empolgante para as pesquisas de anodo de silício e de baterias de estado sólido”, comemora o engenheiro químico Darren H. S. Tan, autor principal do estudo.

Eletrólito certo

A expansão de um grande volume de partículas de silício durante o processo de carga de descarga com eletrólitos líquidos resulta em perdas consideráveis de capacidade energética ao longo do tempo. Para corrigir esse problema, os cientistas eliminaram o carbono e os aglutinantes que compunham os ânodos de silício.

Ao remover todo o grafite, a equipe também retirou o eletrólito líquido do sistema, substituindo-o por um composto feito à base de sulfeto em um dispositivo de microssilício, menos processado e mais barato que o nanossilício, geralmente usado na fabricação de baterias de íons de lítio.

“Como pesquisadores de baterias, é vital abordar os problemas básicos do sistema. Para os ânodos de silício, sabemos que um dos grandes problemas é a instabilidade da interface do eletrólito líquido. Esforços anteriores para comercializar anodos de liga de silício se concentravam em compósitos de silício-grafite, mas eles possuíam uma estabilidade precária”, explica a professora de nanoengenharia Shirley Meng, coautora do estudo.

Estado sólido

Após substituir o eletrólito líquido por um eletrólito sólido, removendo o carbono e os aglutinadores de silício do ânodo, os cientistas conseguiram evitar o encharcamento de todo o sistema durante os ciclos de funcionamento da bateria. Com isso, foi possível criar uma célula de energia de estado sólido completo.

Sem carbono no ânodo das baterias de íons de lítio, a equipe da Universidade da Califórnia reduziu significativamente o contato interfacial e as reações colaterais indesejadas, evitando a perda contínua de capacidade energética que normalmente ocorre em eletrólitos de base líquida convencionais.

“A abordagem de silício de estado sólido supera muitas limitações em baterias convencionais. Ela apresenta oportunidades empolgantes para atendermos às demandas do mercado por energia volumétrica mais alta, custos reduzidos e baterias mais seguras, especialmente para armazenamento de energia de rede e veículos elétricos”, encerra Tan.

Fonte: University of California