Os cientistas encontraram um caminho para baterias de metal de lítio seguras e duráveis

Durante um quarto de século, a humanidade tem desfrutado dos benefícios que floresceram com a introdução das baterias de iões de lítio. Não foi à toa que o Prémio Nobel da Química foi atribuído pela sua descoberta em 2019. Mas precisamos ir mais longe – criar baterias mais avançadas. E aqui tudo se deparou com todo um conjunto de problemas, que só a ciência fundamental pode ajudar a superar. E ela ajuda nisso.

Um exemplo de crescimento de dendritos em uma bateria. Fonte da imagem: Weizmann

Uma das maneiras promissoras de aumentar a capacidade das baterias contendo lítio é mudar para ânodos metálicos de lítio. O ânodo libera íons durante uma reação química quando a bateria é descarregada e os devolve a si mesmo durante o processo de carga para uso no próximo ciclo de operação (descarga).

Como já foi relatado muitas vezes, o lítio metálico é uma substância extremamente reativa. A sua utilização no ânodo das baterias provoca o crescimento de dendritos – finos filamentos de lítio, capazes de crescer até ao eléctrodo oposto ao longo de várias centenas ou mesmo dezenas de ciclos de carga/descarga e causar um curto-circuito, seguido pela ignição da bateria e do risco de incêndio. O eletrólito líquido e geralmente inflamável da bateria – necessário ali como condutor de íons – só aumenta esse perigo.

O problema com o crescimento dendrítico é parcialmente resolvido com a mudança para eletrólitos sólidos. Geralmente é uma mistura de cerâmica e polímero. Embora permaneça um condutor de íons, o eletrólito sólido desacelera e até interrompe o crescimento de agulhas de metal de lítio do ânodo. A tarefa é selecionar a melhor relação entre cerâmica e polímero, bem como os próprios materiais, que não prejudique a ciclagem das baterias e suas características de desempenho – capacidade, densidade de energia armazenada, velocidade de carregamento, entre outras.

A dificuldade de escolher um material para eletrólitos sólidos é que na interface entre o ânodo e o eletrólito, os processos químicos e físicos ocorrem em um espaço muito fino – de 5 a 50 nm de largura. Entretanto, esta é uma área crítica que determina as características da bateria como um todo. Para continuar avançando em direção a baterias melhores, é importante entender exatamente o que está acontecendo ali. Os cientistas costumam usar a ressonância magnética nuclear (RMN) para estudar a composição química (atômica) de um material, mas não neste caso. Estudar a interface usando RMN exigiria anos de medições, o que simplesmente não é benéfico para ninguém.

Pesquisadores do Instituto Weizmann de Israel deixaram as baterias de lado por um tempo e se propuseram a uma tarefa fundamental – desenvolver uma técnica para analisar as camadas limites das baterias.

«Uma das coisas que mais gosto nesta pesquisa é que sem uma compreensão científica profunda da física fundamental, não seríamos capazes de compreender o que se passa dentro de uma bateria. Nosso processo foi bem típico do trabalho aqui no Instituto Weizmann. Começamos com uma questão puramente científica, que nada tinha a ver com dendritos, e isso nos levou a pesquisar uma solução prática que pudesse melhorar a vida de todos”, afirmam os participantes do trabalho.

Em última análise, os cientistas melhoraram a resposta do material combinando a RMN com a polarização nuclear dinâmica, onde os spins dos eletrões do lítio eram impulsionados por um campo de radiofrequência. Isto melhorou bastante a resposta e tornou possível determinar a composição química exata da camada literalmente em horas, não em anos. A análise mostrou que a proporção ideal de cerâmica e polímero em um eletrólito sólido será se a cerâmica reter 40% na mistura. Ao mesmo tempo, a ciclicidade da bateria e suas características são preservadas. Os cientistas esperam que os resultados das suas pesquisas estimulem a criação de baterias de lítio mais avançadas, e isso acontecerá em breve.