A Silver acabou de resolver um grande desafio em baterias de estado sólido.

Uma Potencial Solução para o Problema

Pesquisadores da Stanford, baseando-se em um trabalho que publicaram três anos atrás que revelou como pequenas fissuras, amassados e defeitos de superfície se formam e se espalham, agora identificaram uma possível solução. Eles descobriram que o tratamento térmico de uma camada extremamente fina de prata na superfície de um eletrólito sólido pode evitar em grande parte esse dano.

Como relatado na Nature Materials em 16 de janeiro, a superfície tratada com prata se tornou cinco vezes mais resistente a rachaduras causadas por pressão mecânica. O revestimento também reduziu o risco de que o lítio penetrasse em falhas existentes na superfície. Esse tipo de intrusão é especialmente prejudicial durante o carregamento rápido, quando fissuras muito pequenas podem se expandir em canais mais profundos que degradam permanentemente a bateria.

Por que as Fissuras São Tão Difíceis de Eliminar

“Os eletrólitos sólidos em que nós e outros estamos trabalhando são uma espécie de cerâmica que permite que os íons de lítio se movimentem facilmente, mas são frágeis,” disse Wendy Gu, professora associada de engenharia mecânica e autora sênior do estudo. “Em uma escala incrivelmente pequena, não é muito diferente das placas ou tigelas de cerâmica que você tem em casa que têm pequenas fissuras em suas superfícies.”

Gu observou que eliminar cada defeito durante a fabricação é irrealista. “Uma bateria de estado sólido do mundo real é feita de camadas empilhadas de eletrodo-cátodo-eletrolito-ânodo. Fabricar esses materiais sem até mesmo as menores imperfeições seria praticamente impossível e muito caro,” disse ela. “Decidimos que uma superfície protetora pode ser mais realista, e um pouco de prata parece fazer um bom trabalho.”

Troca de Prata e Lítio

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

Essa prata carregada positivamente se comporta de maneira muito diferente da prata metálica sólida. De acordo com os pesquisadores, os íons Ag+ são diretamente responsáveis por fortalecer a cerâmica e reduzir sua tendência a rachaduras.

Como Funciona o Tratamento com Prata

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

Importante, a prata permaneceu em sua forma iônica carregada positivamente em vez de se transformar em prata metálica. Os pesquisadores acreditam que isso é crítico para prevenir fissuras. Em áreas onde pequenas imperfeições já existem, os íons de prata também ajudam a bloquear o lítio de entrar e formar estruturas internas danosas.

“Nosso estudo mostra que a dopagem de prata em escala nanométrica pode alterar fundamentalmente como as fissuras 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 bolsista pós-doutoral na Stanford e agora é professor assistente de engenharia na Universidade Estadual do Arizona.

“Esse método pode ser estendido a uma ampla classe de cerâmicas. 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 trabalhou no laboratório do Prof. William Chueh, um dos autores sêniores do estudo e diretor do Instituto Precourt de Energia, que faz parte da Escola de Sustentabilidade Doerr da Stanford.

Para medir o quanto o material tratado se tornou mais forte, 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 se quebrar do que amostras não tratadas.

O Que Vem a Seguir para as Baterias de Estado Sólido

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

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

Os pesquisadores também veem aplicações potenciais além do lítio. Baterias à base de sódio poderiam se beneficiar de estratégias semelhantes e podem ajudar a reduzir as pressões na cadeia de suprimentos ligadas à demanda por lítio.

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

Os outros autores seniores do estudo com Gu e Chueh são Yue Qi, professor de engenharia na Universidade Brown. Os co-autores da 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 estudante de doutorado Samuel S. Lee. O ex-aluno da Universidade Brown, Harsh Jagad, agora diretor de tecnologia da Metal Light, Inc., também é co-autor do estudo.