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em um novo Energia da Natureza papel, os engenheiros relatam o progresso em relação às baterias de lítio-metal que carregam rapidamente – em até uma hora. Esse carregamento rápido se deve aos cristais metálicos de lítio que podem ser semeados e cultivados – de maneira rápida e uniforme – em uma superfície surpreendente. O truque é usar uma superfície de crescimento de cristal que o lítio oficialmente não “gosta”. A partir desses cristais de semente crescem camadas densas de lítio metálico uniforme. Camadas uniformes de metal de lítio são de grande interesse para os pesquisadores de baterias porque não possuem picos que degradam o desempenho da bateria, chamados dendritos. A formação desses dendritos em ânodos de bateria é um obstáculo de longa data para baterias de lítio-metal ultra-densas em energia de carregamento rápido.
Essa nova abordagem, liderada por engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego, permite carregar baterias de lítio-metal em cerca de uma hora, uma velocidade que é competitiva em relação às baterias de íon-lítio atuais. Os engenheiros da UC San Diego, em colaboração com os pesquisadores de imagem da UC Irvine, publicaram este avanço com o objetivo de desenvolver baterias de lítio-metal de carregamento rápido em 9 de fevereiro de 2023 em Energia da Natureza.
Para cultivar cristais de metal de lítio, os pesquisadores substituíram as onipresentes superfícies de cobre no lado negativo (o ânodo) das baterias de metal de lítio por uma superfície nanocomposta litofóbica feita de fluoreto de lítio (LiF) e ferro (Fe). Usando essa superfície litofóbica para deposição de lítio, formaram-se sementes de cristais de lítio e, a partir dessas sementes, cresceram densas camadas de lítio – mesmo em altas taxas de carregamento. O resultado foram baterias de lítio-metal de ciclo longo que podem ser carregadas rapidamente.
“A superfície especial do nanocompósito é a descoberta”, disse Ping Liu, professor de nanoengenharia da UC San Diego, autor sênior do novo artigo. “Desafiamos a noção tradicional de que tipo de superfície é necessária para cultivar cristais de lítio. A sabedoria predominante é que o lítio cresce melhor em superfícies de que gosta, superfícies que são litiofílicas. Neste trabalho, mostramos que isso nem sempre é verdade. O O substrato que usamos não gosta de lítio. No entanto, fornece locais de nucleação abundantes junto com o rápido movimento de superfície do lítio. Esses dois fatores levam ao crescimento desses belos cristais. Este é um bom exemplo de uma visão científica resolvendo um problema técnico.”
O novo avanço liderado pelos nanoengenheiros da UC San Diego pode eliminar um obstáculo significativo que está impedindo o uso generalizado de baterias de metal de lítio densas em energia para aplicações como veículos elétricos (EVs) e eletrônicos portáteis. Embora as baterias de lítio-metal tenham grande potencial para VEs e eletrônicos portáteis devido à sua alta densidade de carga, as baterias de lítio-metal de hoje devem ser carregadas de forma extremamente lenta para manter o desempenho da bateria e evitar problemas de segurança. O carregamento lento é necessário para minimizar a formação de dendritos de lítio que prejudicam o desempenho da bateria, que se formam quando os íons de lítio se juntam aos elétrons para formar cristais de lítio no lado do ânodo da bateria. Os cristais de lítio se acumulam à medida que a bateria carrega e os cristais de lítio se dissolvem à medida que a bateria descarrega.
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