Esta simples mudança de design poderia finalmente consertar baterias de estado sólido
As baterias desempenham um papel fundamental na vida cotidiana, desde a alimentação de smartphones até a habilitação de veículos elétricos. Apesar da sua importância, as baterias atuais ainda apresentam grandes desvantagens, incluindo custos elevados e o risco de incêndios ou explosões. As baterias totalmente de estado sólido têm sido vistas há muito tempo como uma alternativa mais segura, mas o progresso tem sido retardado pelo desafio de equilibrar segurança, desempenho e acessibilidade. Agora, uma equipa de investigação na Coreia do Sul demonstrou que o desempenho da bateria pode ser significativamente melhorado apenas através de um design estrutural inteligente, sem depender de metais caros.
Em 7 de janeiro, o KAIST anunciou um avanço de uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Dong-Hwa Seo, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. O projeto reuniu pesquisadores liderados pelo Professor Sung-Kyun Jung (Universidade Nacional de Seul), Professor Youn-Suk Jung (Universidade Yonsei) e Professor Kyung-Wan Nam (Universidade Dongguk). Juntos, eles desenvolveram uma nova abordagem de design para materiais essenciais de baterias totalmente em estado sólido que utilizam matérias-primas baratas, mantendo um forte desempenho e um menor risco de incêndio ou explosão.
Por que os eletrólitos sólidos são mais seguros, mas mais difíceis de otimizar
As baterias tradicionais de íons de lítio dependem de um eletrólito líquido que permite que os íons de lítio se movam entre os eletrodos. As baterias totalmente de estado sólido substituem esse líquido por um eletrólito sólido, o que melhora muito a segurança. No entanto, os íons de lítio movem-se mais lentamente através dos sólidos, e os esforços anteriores para acelerá-los muitas vezes dependiam de metais caros ou de técnicas de fabricação complicadas.
Usando a química dos cristais para acelerar o movimento do lítio
Para resolver esse problema, os pesquisadores se concentraram em melhorar a forma como os íons de lítio viajam através dos eletrólitos sólidos. A sua estratégia centrou-se na utilização de “ânions divalentes”, como o oxigênio e o enxofre. Esses elementos influenciam a estrutura cristalina do eletrólito, tornando-se parte de sua estrutura fundamental, o que pode alterar a forma como os íons se movem dentro do material.
A equipe aplicou essa ideia a eletrólitos sólidos haleto à base de zircônio (Zr) de baixo custo. Ao introduzir cuidadosamente ânions divalentes, eles conseguiram ajustar com precisão a estrutura interna do material. Esta abordagem, conhecida como “Mecanismo Quadro de Regulamentação”, expande os caminhos disponíveis para os íons de lítio e reduz a energia necessária para sua movimentação. Como resultado, os íons de lítio podem viajar de forma mais rápida e eficiente através do material sólido.
Ferramentas avançadas confirmam melhorias estruturais
Para confirmar que estas mudanças estruturais funcionaram conforme pretendido, os investigadores confiaram numa série de métodos analíticos avançados, incluindo:
- Difração de raios X síncrontron de alta energia (XRD síncrono)
- Análise da função de distribuição de pares (PDF)
- Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS)
- Modelagem da Teoria do Funcional da Densidade (DFT) para estrutura e difusão eletrônica
Essas técnicas permitiram à equipe examinar de perto como a estrutura cristalina mudou e como essas mudanças afetaram o movimento dos íons de lítio.
Ganhos de desempenho usando materiais baratos
Os testes mostraram que a adição de oxigênio ou enxofre ao eletrólito aumentou a mobilidade do íon de lítio de duas a quatro vezes em comparação com os eletrólitos convencionais à base de zircônio. Esta melhoria indica que as baterias de estado sólido podem atingir níveis de desempenho adequados para uso no mundo real sem depender de materiais caros.
À temperatura ambiente, o eletrólito dopado com oxigênio atingiu uma condutividade iônica de cerca de 1,78 mS/cm, enquanto a versão dopada com enxofre atingiu aproximadamente 1,01 mS/cm. A condutividade iônica mede a facilidade com que os íons de lítio se movem através de um material, e valores acima de 1 mS/cm são geralmente considerados adequados para aplicações práticas de baterias em temperatura ambiente.
Mudando a inovação da bateria em direção a um design mais inteligente
O professor Dong-Hwa Seo explicou o significado mais amplo do trabalho, dizendo: “Através desta pesquisa, apresentamos um princípio de design que pode melhorar simultaneamente o custo e o desempenho de baterias totalmente de estado sólido usando matérias-primas baratas. Seu potencial para aplicação industrial é muito alto.” O autor principal, Jae-Seung Kim, enfatizou que o estudo destaca uma mudança na pesquisa de baterias, desviando a atenção da simples escolha de novos materiais para o projeto de estruturas melhores.
Publicação e Apoio à Pesquisa
O estudo, liderado pelos co-autores Jae-Seung Kim (KAIST) e Da-Seul Han (Universidade Dongguk), foi publicado na revista internacional Comunicações da Natureza em 27 de novembro de 2025.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Centro de Promoção de Tecnologia Futura da Samsung Electronics, pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia e pelo Centro Nacional de Supercomputação.
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