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Pesquisadores inovadores de baterias decifraram o código para criar imagens 3D em tempo real da promissora, mas temperamental, bateria de metal de lítio durante o ciclo. Uma equipe da Chalmers University of Technology, na Suécia, conseguiu observar como o lítio metálico na célula se comporta à medida que carrega e descarrega. O novo método pode contribuir para baterias com maior capacidade e maior segurança em nossos futuros carros e dispositivos.
“Abrimos uma nova janela para entender – e, a longo prazo, otimizar – as baterias de metal de lítio do futuro. Quando podemos estudar exatamente o que acontece com o lítio em uma célula durante o ciclo, ganhamos importantes conhecimento do que afeta seu funcionamento interno”, diz Aleksandar Matic, professor do Departamento de Física da Chalmers e chefe do estudo científico publicado recentemente na Natureza Comunicações.
Há grandes esperanças de que novos conceitos de baterias, como baterias de lítio metálico, possam substituir as atuais baterias de íon-lítio. O objetivo é desenvolver baterias mais densas em energia e mais seguras que nos levarão mais longe a um custo menor – tanto financeira quanto ambientalmente. Baterias de estado sólido, baterias de lítio-enxofre e baterias de lítio-oxigênio estão entre as alternativas promissoras. Todos esses conceitos se baseiam na ideia de que o ânodo da bateria consiste em um metal de lítio em vez do grafite que está nas baterias de hoje. Sem grafite, a célula da bateria será mais leve, e com lítio metálico como ânodo também será possível usar materiais de cátodo de alta capacidade. Isso torna possível atingir três a cinco vezes a densidade de energia.
O lítio forma microestruturas indesejadas
No entanto, as baterias de metal de lítio têm um problema crucial: quando a bateria é carregada ou descarregada, o lítio nem sempre se deposita tão plano e liso quanto deveria. Muitas vezes, forma microestruturas musgosas ou dendritos, estruturas semelhantes a agulhas longas e partes do lítio depositado podem ficar isoladas e, então, inativas. Os dendritos também correm o risco de atingir o outro eletrodo da bateria e causar um curto-circuito. Portanto, é crucial entender quando, como e por que essas estruturas se formam.
“Para poder usar essa tecnologia na próxima geração de baterias, precisamos ver como uma célula é afetada por fatores como densidade de corrente, escolha do eletrólito e número de ciclos. Agora temos uma ferramenta para fazer isso, ” diz o pesquisador da Chalmers Matthew Sadd, principal autor deste novo estudo junto com seu colega Shizhao Xiong.
Espera animada para o primeiro vislumbre
O experimento para observar a formação de microestruturas de lítio em uma célula de trabalho foi conduzido na Swiss Light Source nos arredores de Zurique, na Suíça. Em antecipação ofegante, os pesquisadores prepararam uma célula de bateria especialmente projetada para estudar quando o lítio é depositado, em tempo real e em 3D usando microscopia tomográfica de raios-X. Embora muitos pesquisadores quisessem estudar o lítio metálico em uma célula de trabalho, ninguém havia sido capaz de fazê-lo, até onde a equipe sabia. Se eles conseguissem, seria um grande passo em frente, em comparação com a análise de imagens após o ciclo de uma célula.
“Foi mágico quando vimos com nossos próprios olhos que funcionou na primeira tentativa”, disse Matic. “Quando observamos o lítio criando grandes estruturas, como enormes agulhas, foi quase como estar em um projeto de pouso lunar. Há muito tempo que queríamos observar o funcionamento interno das baterias em tempo real. E agora podemos.”
Peça-chave do quebra-cabeça para uso em larga escala
Agora, a equipe de pesquisa pretende testar a técnica em outros conceitos de bateria, esperando que a tecnologia de imagem necessária esteja disponível mais perto de casa, por exemplo, no laboratório sueco MAX IV, uma instalação nacional de pesquisa para experimentos avançados de raios-x.
“Estamos ansiosos para desenvolver este método para fazer medições mais rápidas em resolução mais alta para ver microestruturas mais detalhadas formadas no início do processo de deposição”, diz Matic. “Esta é uma peça chave do quebra-cabeça para poder usar baterias de metal de lítio em larga escala e torná-las seguras. Muitas equipes de pesquisa e empresas estão olhando para o conceito de metal de lítio para seus protótipos futuros.”
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