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Seja em um carro eletrônico, telefone celular ou chave de fenda sem fio, muitos dispositivos usados diariamente agora usam baterias recarregáveis. No entanto, a tendência também tem suas desvantagens. Por exemplo, certos telefones celulares foram proibidos de serem transportados em aviões ou carros elétricos pegaram fogo. As baterias de íon de lítio comerciais modernas são sensíveis ao estresse mecânico.
As chamadas “baterias de estado sólido” podem ser uma solução. Estes não contêm mais um núcleo líquido – o chamado eletrólito – mas consistem inteiramente de material sólido, por exemplo, condutor iônico de cerâmica. Como resultado, eles são mecanicamente robustos, não inflamáveis, fáceis de miniaturizar e insensíveis às flutuações de temperatura.
Mas as baterias de estado sólido apresentam seus problemas após vários ciclos de carga e descarga: embora os pólos positivo e negativo da bateria ainda estejam eletricamente separados um do outro no início, eles são eventualmente conectados eletricamente um ao outro por processos internos da bateria: “Lithium dendritos” crescem lentamente na bateria. Esses dendritos de lítio crescem passo a passo durante cada processo de carregamento até que os dois pólos estejam conectados. O resultado: a bateria entra em curto-circuito e “morre”. Até agora, no entanto, os processos físicos exatos que ocorrem nesse processo ainda não são bem compreendidos.
Uma equipe liderada por Rüdiger Berger, do departamento de Hans-Jürgen Butt, já resolveu o problema e usou um método especial de microscopia para investigar os processos com mais detalhes. Eles investigaram a questão de onde os dendritos de lítio começam a crescer. É como em uma caverna de pedra fluida onde as estalactites crescem do teto e as estalagmites do chão até se juntarem no meio e formarem o chamado “estalagmite”? Não há topo e fundo em uma bateria – mas os dendritos crescem do polo negativo para o polo positivo ou do polo positivo para o polo negativo? Ou eles crescem igualmente de ambos os pólos? Ou há lugares especiais na bateria que levam à nucleação e depois ao crescimento dendrítico a partir daí?
A equipe de Rüdiger Berger analisou em particular os chamados “limites de grão” no eletrólito sólido cerâmico. Esses limites são formados durante a produção da camada sólida: Os átomos nos cristais da cerâmica são basicamente organizados de maneira muito regular. No entanto, devido a pequenas flutuações aleatórias no crescimento do cristal, estruturas semelhantes a linhas são formadas onde os átomos são arranjados irregularmente – o chamado “limite de grão”.
Esses limites de grão são visíveis com seu método de microscopia – “Kelvin Probe Force Microscopy” – no qual a superfície é escaneada com uma ponta afiada. Chao Zhu, um estudante de doutorado que trabalha com Rüdiger Berger, diz: “Se a bateria de estado sólido estiver carregada, a Microscopia de Força de Sonda Kelvin vê que os elétrons se acumulam ao longo dos limites dos grãos – especialmente perto do pólo negativo”. Este último indica que o contorno de grão não apenas altera o arranjo dos átomos da cerâmica, mas também sua estrutura eletrônica.
Devido ao acúmulo de elétrons – ou seja, partículas negativas – íons de lítio carregados positivamente que viajam no eletrólito sólido podem ser reduzidos a lítio metálico. O resultado: depósitos de lítio e dendritos de lítio se formam. Se o processo de carregamento for repetido, o dendrito continuará a crescer até que finalmente os pólos da bateria sejam conectados. A formação desses estágios iniciais para o crescimento dos dendritos foi observada apenas no pólo negativo – também observada apenas neste pólo. Não foi observado crescimento no polo positivo oposto.
Os cientistas esperam que, com uma compreensão precisa dos processos de crescimento, eles também sejam capazes de desenvolver maneiras eficazes de prevenir ou pelo menos limitar o crescimento no pólo negativo, para que no futuro as baterias de estado sólido de lítio mais seguras também possam ser usadas. em aplicações de banda larga.
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