Silver acaba de resolver um grande problema de bateria de estado sólido

Pesquisadores de Stanford, com base no trabalho publicado há três anos que revelou como pequenas rachaduras, amassados ​​e defeitos superficiais se formam e se espalham, identificaram agora uma solução potencial. Eles descobriram que o tratamento térmico de uma camada extremamente fina de prata na superfície de um eletrólito sólido pode prevenir amplamente esse dano.

Conforme relatado em Materiais da Natureza no dia 16 de janeiro, a superfície tratada com prata tornou-se cinco vezes mais resistente a fissuras causadas por pressão mecânica. O revestimento também reduziu o risco de o lítio penetrar nas falhas superficiais existentes. Este tipo de intrusão é especialmente prejudicial durante o carregamento rápido, quando fissuras muito pequenas podem alargar-se em canais mais profundos que degradam permanentemente a bateria.

Por que as rachaduras são tão difíceis de eliminar

“Os eletrólitos sólidos nos quais nós e outros estamos trabalhando são um tipo de cerâmica que permite que os íons de lítio se movam facilmente para frente e para trás, mas são quebradiços”, disse Wendy Gu, professora associada de engenharia mecânica e autora sênior do estudo. “Em uma escala incrivelmente pequena, não é diferente dos pratos ou tigelas de cerâmica que você tem em casa, que apresentam pequenas rachaduras na superfície”.

Gu observou que eliminar todos os defeitos durante a fabricação não é realista. “Uma bateria de estado sólido do mundo real é feita de camadas de folhas empilhadas de cátodo-eletrólito-ânodo. Fabricá-las sem as menores imperfeições seria quase impossível e muito caro”, disse ela. “Decidimos que uma superfície protetora pode ser mais realista, e apenas um pouco de prata parece fazer um bom trabalho.”

Interruptor Prata-Lítio

Estudos anteriores de outras equipes de pesquisa examinaram revestimentos de prata metálica aplicados ao mesmo material eletrolítico sólido usado no novo estudo. Esse material é conhecido como “LLZO” por sua combinação de lítio, lantânio, zircônio e oxigênio. Embora os esforços anteriores se concentrassem na prata metálica, a equipe de Stanford adotou uma abordagem diferente ao usar uma forma dissolvida de prata que perdeu um elétron (Ag+).

Esta prata carregada positivamente se comporta de maneira muito diferente da prata metálica sólida. Segundo os pesquisadores, os íons Ag+ são diretamente responsáveis ​​pelo fortalecimento da cerâmica e pela redução de sua tendência a trincas.

Como funciona o tratamento com prata

A equipe aplicou uma camada de prata de apenas 3 nanômetros de espessura na superfície das amostras LLZO e depois as aqueceu a 300 graus Celsius (572° Fahrenheit). À medida que as amostras aqueciam, os átomos de prata moviam-se para a superfície do eletrólito, substituindo átomos menores de lítio dentro da estrutura cristalina porosa. Este processo estendeu-se cerca de 20 a 50 nanômetros abaixo da superfície.

É importante ressaltar que a prata permaneceu em sua forma iônica com carga positiva, em vez de se transformar em prata metálica. Os pesquisadores acreditam que isso é fundamental para prevenir rachaduras. Em áreas onde já existem pequenas imperfeições, os íons de prata também ajudam a impedir a entrada de lítio e a formação de estruturas internas prejudiciais.

“Nosso estudo mostra que a dopagem com prata em nanoescala pode alterar fundamentalmente a forma como as rachaduras se iniciam e se propagam na superfície do eletrólito, produzindo eletrólitos sólidos duráveis ​​e resistentes a falhas para tecnologias de armazenamento de energia de próxima geração”, disse Xin Xu, que liderou a pesquisa como pós-doutorado em Stanford e agora é professor assistente de engenharia na Arizona State University.

“Este método pode ser estendido a uma ampla classe de cerâmica. Ele demonstra que revestimentos de superfície ultrafinos podem tornar o eletrólito menos frágil e mais estável sob condições eletroquímicas e mecânicas extremas, como carregamento rápido e pressão, “disse Xu, que em Stanford trabalhou no laboratório do Prof. William Chueh, autor sênior do estudo e diretor do Instituto Precourt de Energia, que faz parte da Escola de Sustentabilidade Stanford Doerr.

Para medir o quão mais forte o material tratado se tornou, os pesquisadores usaram uma sonda especializada dentro de um microscópio eletrônico de varredura para testar quanta força era necessária para fraturar a superfície do eletrólito. O material tratado com prata exigiu quase cinco vezes mais pressão para quebrar do que as amostras não tratadas.

O que vem a seguir para baterias de estado sólido

Até agora, os experimentos se concentraram em áreas pequenas e localizadas, em vez de células de bateria cheias. Ainda não está claro se esta abordagem baseada na prata pode ser dimensionada para baterias maiores, integrada com outros componentes, e manter o seu desempenho ao longo de milhares de ciclos de carregamento.

A equipe agora está trabalhando com células completas de bateria de estado sólido de metal de lítio e explorando como a aplicação de pressão mecânica de diferentes ângulos pode prolongar a vida útil da bateria. Eles também estão estudando tipos adicionais de eletrólitos sólidos, incluindo materiais à base de enxofre que poderiam oferecer melhor estabilidade química quando combinados com lítio.

Os pesquisadores também veem aplicações potenciais além do lítio. As baterias à base de sódio poderiam beneficiar de estratégias semelhantes e ajudar a reduzir as pressões na cadeia de abastecimento ligadas à procura de lítio.

A prata pode não ser a única opção viável. Os pesquisadores disseram que outros metais poderiam funcionar, desde que seus íons sejam maiores do que os íons de lítio que eles substituem na estrutura eletrolítica. O cobre mostrou algum sucesso nos primeiros testes, embora tenha sido menos eficaz que a prata.

Os outros autores seniores do estudo com Gu e Chueh são Yue Qi, professor de engenharia da Brown University. Os co-autores principais de Stanford com Xu são Teng Cui, agora professor assistente na Universidade de Waterloo; Geoff McConohy, agora engenheiro de pesquisa na Orca Sciences; e o atual aluno de doutorado Samuel S. Lee. Harsh Jagad, ex-aluno da Brown University, agora diretor de tecnologia da Metal Light, Inc., também é co-autor principal do estudo.