À medida que a eletricidade flui através de uma bateria, os materiais dentro da bateria se desgastam gradualmente. Forças físicas como estresse e tensão também desempenham um papel neste processo, mas seu impacto exato no desempenho e na vida útil da bateria não é totalmente compreendido. Uma equipe de pesquisa liderada por pesquisadores do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia dos EUA desenvolveu uma estrutura para considerar a mecânica ao projetar baterias de estado sólido (SSBs). O artigo deles, publicado na revista Science, analisa como esses fatores alteram o processo de ciclagem de baterias de estado sólido.
"Nosso objetivo é enfatizar a importância da mecânica no desempenho da bateria", disse Sergiy Kalnaus, cientista da equipe do Grupo de Modelagem e Fluxo Multifísica do ORNL. "Muitos estudos concentram-se nas propriedades químicas ou elétricas, mas negligenciam a revelação das propriedades mecânicas subjacentes."
A equipe abrange diversas áreas de pesquisa no ORNL, incluindo computação, química e ciência dos materiais. Eles realizaram um estudo abrangente das várias condições que afetam o SSB a partir de diferentes perspectivas científicas para traçar um quadro mais coeso. “Estamos tentando preencher a lacuna entre as disciplinas”, disse Kalnaus.
Eletrólitos sólidos: uma alternativa mais segura e robusta
Em uma bateria, partículas carregadas fluem através de um material chamado eletrólito. A maioria dos eletrólitos são líquidos, como nas baterias de íons de lítio encontradas em carros elétricos, mas também estão sendo desenvolvidos eletrólitos sólidos. Esses condutores geralmente são feitos de vidro ou cerâmica, o que oferece vantagens como maior segurança e resistência.
“As verdadeiras baterias de estado sólido não contêm líquidos inflamáveis dentro delas”, disse Kalnaus. “Isso significa que elas são menos perigosas do que as baterias comumente usadas hoje”.
No entanto, os eletrólitos de estado sólido ainda estão nos estágios iniciais de desenvolvimento devido aos desafios enfrentados por estes novos materiais. Os componentes da bateria de estado sólido expandem-se e contraem-se durante o carregamento e a transferência de massa, alterando o sistema. Os eletrodos continuam a se deformar durante a operação da bateria, criando delaminação e vazios na interface com o eletrólito sólido. “No sistema atual, a melhor solução é aplicar muita pressão para manter tudo unido.
Essas alterações dimensionais podem danificar eletrólitos sólidos porque os eletrólitos sólidos são feitos de materiais quebradiços. Freqüentemente, eles quebram sob tensão e pressão. Se esses materiais pudessem ser mais dúcteis, eles poderiam resistir ao estresse fluindo em vez de rachar. Este comportamento é conseguido através de uma série de técnicas que introduzem pequenos defeitos cristalinos em eletrólitos cerâmicos.
Ânodos projetados e eletrólitos sólidos
Os elétrons saem do sistema através do ânodo. Nas baterias de estado sólido, o ânodo pode ser feito de metal de lítio puro, que possui a maior densidade de energia. Embora este material tenha vantagens em termos de energia da bateria, ele também pode criar tensões que podem danificar o eletrólito.
"Durante o processo de carregamento, o revestimento irregular e a ausência de um mecanismo de alívio de tensão podem causar concentrações de tensão. Essas concentrações de tensão podem criar uma tensão significativa, fazendo com que o metal de lítio flua", disse Erik Herbert, líder do Grupo de Propriedades Mecânicas e Mecânica do ORNL. "Para otimizar o desempenho e a vida útil dos separadores de eletrólitos sólidos, precisamos projetar ânodos e eletrólitos sólidos de próxima geração que possam manter a estabilidade mecânica da interface sem quebrar o separador de eletrólitos sólidos."
O trabalho da equipe faz parte da longa história de estudo de materiais SSB do ORNL. No início da década de 1990, o laboratório desenvolveu um eletrólito de vidro chamado óxido de fósforo e lítio, ou LiPON. O óxido de fósforo e lítio tem sido amplamente utilizado como eletrólito em baterias de película fina com ânodos metálicos de lítio. Este componente pode suportar múltiplos ciclos de carga e descarga sem falhas, em grande parte devido à ductilidade do LiPON. Quando exposto ao estresse mecânico, ele fluirá em vez de rachar.
“Nos últimos anos, aprendemos que o LiPON tem fortes propriedades mecânicas que complementam a sua durabilidade química e eletroquímica”, disse Nancy Dudney, cientista do ORNL que liderou a equipe que desenvolveu o material.
Os esforços da equipe destacam um aspecto pouco pesquisado dos SSBs – a compreensão dos fatores que influenciam a longevidade e a eficácia dos SSB. “A comunidade científica precisa de um roteiro”, disse Kalnaus. Em nosso artigo, fornecemos uma visão geral da mecânica dos materiais dos eletrólitos de estado sólido e incentivamos os cientistas a considerar esses fatores ao projetar novas baterias. "
Referência "Baterias de estado sólido: o papel principal da mecânica", por Sergiy Kalnaus, Nancy J. Dudney, Andrew S. Westover, Erik Herbert e Steve Hackney, 22 de setembro de 2023, Science.
DOI:10.1126/science.abg5998
Fonte compilada: ScitechDaily