Técnica inovadora promete revolucionar as baterias de íons de lítio

Pesquisadores do National Institute of Standards and Technology (NIST), nos EUA, estão desenvolvendo o que eles chamam “a nova geração de baterias de íons de lítio”. Essas células de energia possuem componentes de estado sólido não inflamáveis, são mais eleves, mantêm a carga por mais tempo e não correm o risco de explodir.

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Uma das desvantagens das baterias de estado sólido está nas interações eletroquímicas que ocorrem dentro da célula, limitando o fluxo da corrente elétrica em seu interior. Para contornar esse problema, os cientistas conseguiram identificar o local exato onde acontece a maior parte dessa impedância.

“Ao descobrir essa região, nossa equipe sugeriu um redesenho simples que poderia limitar drasticamente o acúmulo de impedância, permitindo que as baterias cumprissem seu papel crucial como a fonte de energia da próxima geração”, explica o engenheiro químico Jamie Weaver, coautor do estudo.

Impedância

Uma bateria de íons de lítio de estado sólido possui dois terminais em forma de folha — o ânodo (negativo) e o cátodo (positivo) — separados por um meio condutor de íons chamado eletrólito. Durante os ciclos de carga e descarga, os íons de lítio fluem do ânodo para o cátodo, gerando a energia elétrica que alimenta os dispositivos eletrônicos.

Durante esse processo, a impedância surge na interface entre qualquer um dos eletrodos e o eletrólito, dificultando a passagem de energia devido ao acúmulo de dendritos — estruturas parecidas com agulhas que conseguem perfurar a membrana que separa o ânodo do cátodo, provocando danos irreversíveis.

“Para determinar o local exato onde e impedância acontece, observamos a distribuição dos íons de lítio e a diferença de voltagem em cada uma das interfaces, usando dois métodos complementares para estudar essa ocorrência em nanoescala nas baterias de íons de lítio de estado sólido”, acrescenta Weaver.

Análise profunda

Utilizando a técnica de microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM), os cientistas analisaram as diferentes camadas de uma bateria aberta para criar imagens da distribuição de voltagem em cada superfície. A sonda revelou que a maior queda de voltagem ocorre na interface eletrólito/ânodo, indicando uma região de alta impedância.

Um segundo método foi usado para identificar o perfil de profundidade dos nêutrons e os locais de maior concentração de lítio. Essas medições revelaram que o local principal onde os íons de lítio se acumularam — diminuindo o fluxo da corrente elétrica — também estava no limite entre o eletrólito e o ânodo.

“Ao analisar nossas descobertas, concluímos que a impedância pode ser reduzida se camadas de outro material forem adicionadas entre o ânodo e o eletrólito, evitando a interação entre eles. Quando um eletrólito e o ânodo estão em contato direto, eles formam uma fina camada de material que impede o transporte dos íons. Agora que entendemos esse funcionamento, podemos projetar baterias com alta condutividade de íons e elétrons”, encerra Weaver.

Fonte: NIST