Por décadas, os pesquisadores tentaram aproveitar o potencial das baterias de metal de lítio de estado sólido, que retêm substancialmente mais energia no mesmo volume e carregam em uma fração do tempo em comparação com as baterias de íon de lítio tradicionais.

Foto Xin Li , Professor Associado de Ciência de Materiais na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson

“Uma bateria de metal de lítio é considerada o Santo Graal para a química de baterias por causa de sua alta capacidade e densidade de energia”, disse Xin Li , Professor Associado de Ciência de Materiais na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS). “Mas a estabilidade dessas baterias sempre foi ruim.”

Agora, Li e sua equipe projetaram uma bateria de estado sólido de metal de lítio estável que pode ser carregada e descarregada pelo menos 10.000 vezes – muito mais ciclos do que foi demonstrado anteriormente – em uma alta densidade de corrente.

Os pesquisadores emparelharam o novo design com um material catódico de alta densidade de energia comercial.

Essa tecnologia de bateria poderia aumentar a vida útil dos veículos elétricos para a dos carros a gasolina – 10 a 15 anos – sem a necessidade de substituir a bateria.

Com sua alta densidade de corrente, a bateria pode abrir caminho para veículos elétricos que podem ser totalmente carregados em 10 a 20 minutos.

A pesquisa foi publicada na Nature .

O grande desafio com as baterias de metal de lítio sempre foi a química.

As baterias de lítio movem íons de lítio do cátodo para o ânodo durante o carregamento.

Quando o ânodo é feito de metal de lítio, estruturas semelhantes a agulhas chamadas dendritos se formam na superfície.

Essas estruturas crescem como raízes no eletrólito e perfuram a barreira que separa o ânodo e o cátodo, causando um curto-circuito ou até mesmo um incêndio na bateria.

Pense na bateria como um sanduíche BLT.

Primeiro vem o pão – o ânodo de metal de lítio – seguido pela alface – uma camada de grafite.

Em seguida, uma camada de tomate – o primeiro eletrólito – e uma camada de bacon – o segundo eletrólito.

Termine com outra camada de tomate e o último pedaço de pão – o cátodo.

O primeiro eletrólito (nome químico Li _5.5 PS _4.5 Cl _1.5 ou LPSCI) é mais estável com lítio, mas propenso à penetração de dendritos.

O segundo eletrólito, (Li ₁₀ Ge ₁ P ₂ S ₁₂ ou LGPS) é menos estável com o lítio, mas parece imune aos dendritos.

Neste projeto, os dendritos podem crescer através da grafite e do primeiro eletrólito, mas são interrompidos quando alcançam o segundo.

Em outras palavras, os dendritos crescem através da alface e do tomate, mas param no bacon.

A barreira do bacon impede os dendritos de empurrar e causar curto na bateria.

“Nossa estratégia de incorporar instabilidade a fim de estabilizar a bateria parece contra-intuitiva, mas assim como uma âncora pode guiar e controlar um parafuso que vai para uma parede, também pode nosso projeto de multicamadas guiar e controlar o crescimento de dendritos”, disse Luhan Ye, co -autora do artigo e pós-graduanda do SEAS.

“A diferença é que nossa âncora rapidamente se torna muito apertada para o dendrito perfurar, então o crescimento do dendrito é interrompido”, acrescentou Li.

A bateria também é autocurativa; sua química permite preencher buracos criados pelos dendritos.

“Este projeto conceito mostra que as baterias de estado sólido de metal de lítio podem ser competitivas com as baterias de íon de lítio comerciais”, disse Li. “E a flexibilidade e versatilidade de nosso design multicamadas o torna potencialmente compatível com os procedimentos de produção em massa na indústria de baterias.

Mudar para a bateria comercial não será fácil e ainda existem alguns desafios práticos, mas acreditamos que logo serão superados.”

A pesquisa foi apoiada pelo Fundo Competitivo para Bolsas Promissoras da Universidade de Harvard e pelo Fundo de Pesquisa Competitiva da Harvard Data Science Initiative.

O Escritório de Desenvolvimento de Tecnologia de Harvard  protegeu um portfólio de propriedade intelectual relacionada a este projeto, que está avançando em direção a aplicações comerciais com o apoio do Acelerador de Ciências Físicas e Engenharia de Harvard e do Fundo de Soluções de Mudança Climática de Harvard.