Resumo:
Pesquisadores chineses desenvolveram um fino revestimento protetor para ânodos de metal de lítio, que deverá resolver os principais problemas técnicos enfrentados por baterias totalmente de estado sólido por um longo tempo. Em testes de laboratório, as baterias tratadas com este revestimento mantiveram 82,3% da sua capacidade inicial após 300 ciclos de carga-descarga; em comparação, uma bateria de controle usando metal de lítio não tratado manteve uma taxa de retenção de capacidade de apenas 43,0%.
Esta pesquisa foi concluída pela equipe de pesquisa científica da Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia de Xi'an e os resultados foram publicados na "Science China Chemistry". Os pesquisadores usam um tratamento químico líquido simples para formar uma camada protetora na superfície do metal de lítio, fornecendo novas ideias para melhorar a estabilidade e a vida útil das baterias da próxima geração.
O metal de lítio é considerado um importante material candidato para baterias de alta densidade energética e é até chamado de "Santo Graal" no campo do armazenamento de energia. Teoricamente, o metal de lítio pode armazenar quase dez vezes a quantidade de eletricidade por grama do eletrodo negativo de grafite usado nas baterias tradicionais de íons de lítio. Se esta vantagem puder ser totalmente utilizada, espera-se que as futuras baterias armazenem mais energia com o mesmo peso, reduzindo assim o peso da bateria e aumentando a autonomia de cruzeiro dos veículos eléctricos.
No entanto, o metal de lítio é propenso a deposição irregular durante o processo de carga e descarga, formando estruturas pontiagudas chamadas dendritos de lítio. Esses dendritos podem continuar a crescer e eventualmente perfurar a estrutura interna da bateria, causando curtos-circuitos e riscos à segurança. Ao mesmo tempo, também existem problemas de estabilidade química entre o metal de lítio e o eletrólito sólido de sulfeto, e as reações interfaciais afetarão o desempenho e o ciclo de vida da bateria. Esses problemas sempre foram obstáculos importantes para a aplicação prática de baterias totalmente de estado sólido de metal de lítio.
Para resolver esse problema, uma equipe envolvendo pesquisadores como Li Siwu, Wu Weiwei e Yu Chuang combinou um polímero à base de silício com cloreto de índio para criar um precursor líquido que pode ser revestido diretamente na superfície do metal de lítio. Depois que o material de revestimento reage com o lítio, uma película protetora composta com espessura de apenas cerca de 12 mícrons será formada in situ na superfície, que contém componentes como fluoreto de lítio e nanopartículas de liga de lítio e índio.
Esta película protetora não isola simplesmente o metal de lítio do mundo exterior, mas melhora o processo de deposição de íons de lítio dentro da bateria através da sinergia de diferentes materiais. O esqueleto do polímero tem um certo grau de flexibilidade e pode se adaptar ao estresse mecânico causado pela repetida expansão e contração do metal lítio durante a carga e descarga; o fluoreto de lítio pode bloquear elétrons e inibir a nucleação e o crescimento de dendritos de lítio; nanopartículas de liga de lítio e índio ajudam a orientar a deposição uniforme de íons de lítio e evitam o acúmulo concentrado de lítio para formar estruturas pontiagudas perigosas.
Os resultados experimentais mostram que a densidade de corrente crítica do eletrodo metálico de lítio revestido atinge 3,5 miliamperes por centímetro quadrado, o que é mais de quatro vezes a do eletrodo não tratado, que é de 0,8 miliamperes por centímetro quadrado. A densidade de corrente crítica é um indicador importante da capacidade da bateria de resistir à deposição irregular de lítio e ao crescimento de dendritos. Um aumento no valor significa que se espera que a bateria mantenha uma operação estável em densidades de corrente mais altas.
Os pesquisadores então aplicaram esse eletrodo protetor a uma bateria completa. A bateria de teste usa eletrodo positivo de óxido de manganês de níquel cobalto e eletrólito sólido de sulfeto, e a capacidade inicial atinge 129,8 mAh por grama a uma taxa de 0,5C. Após 300 ciclos de carga e descarga, a bateria ainda retinha 82,3% da sua capacidade inicial. Em contraste, ao usar eletrodos metálicos de lítio desprotegidos, a taxa de retenção de capacidade é de apenas 43,0% e a diferença entre os dois é muito óbvia.
A análise espectral e a observação por microscópio eletrônico confirmaram ainda mais a composição e estrutura da camada protetora. Os pesquisadores descobriram que o revestimento formava um filme relativamente denso e uniforme, e não foram observadas rachaduras ou vazios óbvios, o que também forneceu evidências em nível estrutural de que ele pode proteger continuamente a interface entre o metal de lítio e o eletrólito sólido.
Outra característica notável desta tecnologia é a sua potencial adaptabilidade industrial. Ao contrário de algumas tecnologias de modificação da superfície do eletrodo que requerem processos complexos de tratamento a vácuo, esta película protetora é formada pelo revestimento direto com um precursor líquido e reagindo na superfície do metal de lítio. Em teoria, existe uma oportunidade de utilizar equipamentos de revestimento industrial existentes para produção, reduzindo assim a complexidade e o custo do processo de fabricação.
A equipe de pesquisa também planeja explorar a substituição do índio por estanho, zinco e outros elementos para otimizar ainda mais a fórmula do material. O índio é um metal relativamente escasso e caro. Se forem encontrados materiais alternativos com desempenho semelhante e menor custo, isso ajudará a melhorar a economia da aplicação em larga escala desta tecnologia no futuro.
No entanto, essa conquista ainda está em fase de pesquisa em laboratório. A melhoria no desempenho do ciclo obtida no experimento não significa que as baterias relevantes estejam prontas para comercialização. No futuro, é necessário verificar ainda mais o seu desempenho em períodos de ciclo mais longos, maiores capacidades de bateria, diferentes ambientes de temperatura e condições reais de produção, ao mesmo tempo que resolve questões como custo de material, consistência de fabricação e estabilidade de interface a longo prazo.
Os pesquisadores acreditam que esta camada protetora composta formada in situ fornece uma rota técnica relativamente simples para estabilizar ânodos metálicos de lítio. Se a investigação subsequente puder provar a sua fiabilidade em baterias reais e conseguir um fabrico em larga escala e de baixo custo, poderá levar as baterias de estado sólido de alta densidade energética um passo mais perto dos veículos eléctricos e do armazenamento de energia em grande escala.
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