Avanço na Pesquisa de Baterias Sólidas

No dia 7 de janeiro, a KAIST anunciou uma descoberta feita por uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Dong-Hwa Seo, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. O projeto reuniu pesquisadores liderados pelo Professor Sung-Kyun Jung (Universidade Nacional de Seul), Professor Youn-Suk Jung (Universidade Yonsei) e Professor Kyung-Wan Nam (Universidade Dongguk). Juntos, desenvolveram uma nova abordagem de design para os principais materiais de baterias totalmente sólidas, utilizando ingredientes brutos de baixo custo enquanto mantêm um desempenho forte e um risco reduzido de incêndio ou explosão.

Por Que Eletrolitos Sólidos São Mais Seguros, Mas Mais Difíceis de Otimizar

Baterias de íons de lítio tradicionais dependem de um eletrolito líquido que permite a movimentação de íons de lítio entre os eletrodos. Baterias totalmente sólidas substituem esse líquido por um eletrolito sólido, o que melhora significativamente a segurança. No entanto, os íons de lítio se movem mais lentamente através de sólidos, e esforços anteriores para acelerar esse movimento muitas vezes dependiam de metais caros ou técnicas de fabricação complicadas.

Utilizando Química Cristalina para Acelerar o Movimento de Lítio

Para resolver esse problema, os pesquisadores focaram em melhorar como os íons de lítio viajam através de eletrolitos sólidos. Sua estratégia centrou-se no uso de “aniôns divalentes”, como oxigênio e enxofre. Esses elementos influenciam a estrutura cristalina do eletrolito, tornando-se parte de sua estrutura fundamental, o que pode mudar a forma como os íons se movem dentro do material.

A equipe aplicou essa ideia a eletrolitos sólidos halogênios à base de zircônio (Zr) de baixo custo. Ao introduzir cuidadosamente aniôns divalentes, conseguiram ajustar precisamente a estrutura interna do material. Essa abordagem, conhecida como “Mecanismo de Regulação da Estrutura”, expande os caminhos disponíveis para os íons de lítio e reduz a energia necessária para seu movimento. Como resultado, os íons de lítio podem viajar de forma mais rápida e eficiente através do material sólido.

Ferramentas Avançadas Confirmam Melhorias Estruturais

Para confirmar que essas alterações estruturais funcionaram conforme o esperado, os pesquisadores utilizaram uma gama de métodos analíticos avançados, incluindo:

• Difração de Raios X de Alta Energia em Síncrotron (Synchrotron XRD)
• Análise da Função de Distribuição de Pares (PDF)
• Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS)
• Modelagem da Teoria Funcional da Densidade (DFT) para estrutura eletrônica e difusão

Essas técnicas permitiram que a equipe examinasse detalhadamente como a estrutura cristalina mudou e como essas alterações afetaram o movimento dos íons de lítio.

Ganho de Desempenho Utilizando Materiais Inexpensivos

Os testes mostraram que a adição de oxigênio ou enxofre ao eletrolito aumentou a mobilidade dos íons de lítio de duas a quatro vezes em comparação com eletrolitos à base de zircônio convencionais. Essa melhoria indica que as baterias sólidas podem alcançar níveis de desempenho adequados para uso prático sem depender de materiais caros.

À temperatura ambiente, o eletrolito dopado com oxigênio alcançou uma condutividade iônica de cerca de 1,78 mS/cm, enquanto a versão dopada com enxofre atingiu aproximadamente 1,01 mS/cm. A condutividade iônica mede a facilidade com que os íons de lítio se movem através de um material, e valores acima de 1 mS/cm são geralmente considerados adequados para aplicações práticas em baterias à temperatura ambiente.

Mudando a Inovação em Baterias para um Design Mais Inteligente

O Professor Dong-Hwa Seo explicou o significado mais amplo do trabalho, dizendo: “Através desta pesquisa, nós apresentamos um princípio de design que pode simultaneamente melhorar o custo e o desempenho de baterias totalmente sólidas usando matérias-primas baratas. Seu potencial para aplicação industrial é muito alto.” O autor principal Jae-Seung Kim enfatizou que o estudo destaca uma mudança na pesquisa de baterias, movendo a atenção longe da simples escolha de novos materiais e em direção ao design de estruturas melhores.

Publicação e Apoio à Pesquisa

O estudo, liderado pelos co-primeiros autores Jae-Seung Kim (KAIST) e Da-Seul Han (Universidade Dongguk), foi publicado na revista internacional Nature Communications em 27 de novembro de 2025.

O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Centro de Promoção de Tecnologia Futuras da Samsung Electronics, pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia e pelo Centro Nacional de Supercomputação.