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Uma cerâmica de lítio poderia atuar como um eletrólito sólido em uma geração mais poderosa e econômica de baterias recarregáveis de íons de lítio. O desafio é encontrar um método de produção que funcione sem sinterização em altas temperaturas. No diário Angewandte Chemieuma equipe de pesquisa introduziu agora um método sem sinterização para a síntese eficiente e em baixa temperatura dessas cerâmicas em uma forma cristalina condutora.
Dois fatores dominam o desenvolvimento de baterias para veículos elétricos: a potência, que determina a autonomia do veículo; e custo, que é crítico na competição com motores de combustão interna. O Departamento de Energia dos EUA pretende acelerar a transição de veículos movidos a gasolina para veículos eléctricos e estabeleceu objectivos ambiciosos para reduzir os custos de produção e aumentar a densidade energética das baterias até 2030. Estes objectivos não podem ser alcançados com baterias convencionais de iões de lítio.
Uma abordagem altamente promissora para fabricar baterias menores, mais leves, significativamente mais potentes e mais seguras é usar células de estado sólido com ânodos feitos de lítio metálico em vez de grafite. Em contraste com as baterias convencionais de íons de lítio, que possuem eletrólitos orgânicos líquidos e usam um filme de polímero para separar os compartimentos anódico e catódico, todos os componentes de uma bateria de estado sólido são sólidos. Uma fina camada cerâmica funciona simultaneamente como eletrólito sólido e separador. É muito eficaz contra os perigosos curtos-circuitos causados pelo crescimento de dendritos de lítio e contra a fuga térmica. Além disso, não contêm líquidos facilmente inflamáveis.
Um eletrólito/separador cerâmico adequado para células com alta densidade de energia é o óxido de lítio tipo granada Li7La3Zr2Ó12-d (LLZO). Este material deve ser sinterizado junto com o cátodo a mais de 1050 ° C para converter o LLZO na rápida fase cristalina cúbica condutora de lítio, densificá-lo suficientemente e ligá-lo fortemente ao eletrodo. No entanto, temperaturas acima de 600 °C desestabilizam materiais catódicos sustentáveis com baixo teor de cobalto ou sem cobalto, ao mesmo tempo que aumentam os custos de produção e o consumo de energia. São necessários novos métodos de produção que sejam mais económicos e sustentáveis.
Uma equipe liderada por Jennifer LM Rupp do MIT, Cambridge, EUA, e TU Munique, Alemanha, desenvolveu agora um novo processo sintético. Seu novo processo não é baseado em um composto precursor cerâmico, mas sim em um líquido, que é diretamente densificado para formar LLZO em uma síntese de decomposição sequencial. Para otimizar as condições para esta rota sintética, Rupp e sua equipe analisaram a transformação de fase em múltiplas etapas do LLZO de uma forma amorfa para a forma cristalina necessária (cLLZO) usando uma variedade de métodos (espectroscopia Raman, calorimetria de varredura diferencial dinâmica) e produziram um tempo -diagrama de transformação de temperatura. Com base nos conhecimentos obtidos sobre o processo de cristalização, eles desenvolveram uma rota pela qual o cLLZO é obtido como um filme sólido e denso após 10 horas de recozimento a uma temperatura relativamente baixa de 500 °C – sem sinterização. Para projetos futuros de baterias, este método permitirá a integração do eletrólito sólido LLZO com cátodos sustentáveis que poderiam evitar o uso de elementos socioeconomicamente críticos, como o cobalto.
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