Cientistas do Instituto Max Planck (MPI-P) investigou a microestrutura de baterias de lítio de estado sólido inspiradas na observação do crescimento de estalactites e estalagmites em cavernas. O primeiro cresce de cima e o segundo – de baixo. Da mesma forma, os dendritos de lítio metálico crescem em baterias de estado sólido. Mas antes ninguém estudou as questões sobre qual eletrodo começa o crescimento dos dendritos e o que o leva a isso e, o mais importante, como evitá-lo.
Procure por raízes dendríticas em eletrodos de bateria. Fonte da imagem: Xue Zhang / MPI-P
A equipe de pesquisa MPI-P do departamento de Hans-Jürgen Butt estudou detalhadamente a estrutura atômica de eletrólitos e eletrodos de estado sólido, desde a estrutura física até o mapa de distribuição de elétrons na rede cristalina. A microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM) foi usada como o instrumento principal. A abordagem permite criar um mapa da distribuição de grãos de cristal em materiais policristalinos e exibir limites de grão. Além disso, o KPFM permite medir os potenciais na superfície do material (para estimar a magnitude da carga).
Descobriu-se que os elétrons se acumulam nos limites de grão do eletrodo negativo (no cátodo) no processo de carga e descarga de baterias com um eletrólito sólido. Quando os íons de lítio passam por tais acumulações (o que ocorre no momento de carregar e descarregar as baterias), eles capturam elétrons e são reduzidos a lítio metálico. Quase nenhum desses processos foi observado no ânodo.
Assim, ficou absolutamente claro que “o cátodo é o culpado de tudo” e os pesquisadores precisam estudá-lo mais de perto para suprimir o crescimento de agulhas dendríticas, que, durante o funcionamento da bateria, literalmente o perfuram até que ocorra um curto-circuito. Os cientistas compartilharam suas descobertas em um artigo na revista Nature Communications, disponível gratuitamente neste link.
O resultado desse trabalho pode ser o surgimento de baterias de eletrólito sólido muito mais seguras e duráveis, não inflamáveis e com maior consumo de energia do que as baterias de lítio líquido convencionais.