Nova regra de projeto para condutores de estado sólido superiônicos de alta entropia — Strong The One

À medida que o mundo transita para uma economia de energia mais verde e sustentável, espera-se que a dependência de baterias de íons de lítio (Li) aumente. Cientistas de todo o mundo estão trabalhando para projetar baterias menores, mas eficientes, que possam acompanhar a demanda cada vez maior de armazenamento de energia. Nos últimos anos, as baterias de lítio totalmente em estado sólido (ASSLBs) atraíram o interesse da pesquisa devido ao uso exclusivo de eletrólitos sólidos em vez dos líquidos convencionais. Os eletrólitos sólidos não apenas tornam a bateria mais segura contra vazamentos e riscos relacionados a incêndio, mas também fornecem características superiores de energia e potência. No entanto, sua rigidez resulta em pouca umidade da superfície do cátodo e falta de suprimento homogêneo de íons de lítio para o cátodo. Isso, por sua vez, leva a uma perda de capacidade na bateria de estado sólido. O problema torna-se mais pronunciado em eletrodos de cátodo de bateria espessos, como um milímetro de espessura, que é uma configuração de eletrodo mais vantajosa para a realização de um pacote de bateria barato e de alta densidade de energia, em comparação com o eletrodo convencional com espessura típica de < 0,1 mm.

Felizmente, um estudo recente publicado na Ciência encontrou uma maneira de superar esse problema. O artigo – de autoria de uma equipe de pesquisadores liderada pelo Prof. Ryoji Kanno, do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) – descreve uma nova estratégia para produzir eletrólitos sólidos com maior condutividade de íons de lítio. Seu trabalho estabelece uma regra de design para sintetizar cristais de alta entropia de condutores superiônicos de lítio por meio da abordagem de substituição múltipla.

“Muitos estudos mostraram que os condutores iônicos inorgânicos tendem a mostrar melhor condutividade iônica após a substituição de vários elementos, provavelmente devido à barreira potencial achatada da migração de íons de lítio, que é essencial para uma melhor condutividade iônica”, aponta o Prof. Kanno. Foi aí que começaram suas pesquisas. Para o projeto de seu novo material, a equipe se inspirou nas composições químicas de dois eletrólitos sólidos à base de Li bem conhecidos: tipo argirodita (Li₆PS₅Cl) e do tipo LGPS (Li₁₀GeP₂S₁₂) cristais superiônicos. Eles modificaram o Li do tipo LGPS_9.54Si_1,74P_1.44S_11.7Cl_0,3 via multi-substituição e sintetizou uma série de cristais com composição Li_9.54[Si_1−δM_δ]_1,74P_1.44S_11.1Br_0,3O_0,6 (M = Ge, Sn; 0 ≤ δ ≤ 1).

Os pesquisadores usaram um cristal com Ge = M e δ = 0,4 como um católito em um ASSLB com um cátodo de 1 ou 0,8 milímetros de espessura. O primeiro e o último ASSLB exibiram capacidades de descarga de 26,4 mAh cm⁻² a 25 °C (1 mm) e 17,3 mAh cm⁻² a -10 °C (0,8 mm), respectivamente, com capacidade específica de área 1,8 e 5,3 vezes maior do que aquelas relatadas para ASSLBs de última geração, respectivamente. Cálculos teóricos sugeriram que o aumento da condutividade do eletrólito sólido poderia ser resultado do achatamento da barreira de energia para migração de íons, causado por um pequeno grau de substituição química no cristal acima mencionado.

Este estudo fornece uma nova maneira de preparar eletrólitos sólidos de alta entropia para eletrodos de espessura milimétrica, preservando suas vias de condução superiônica. “Na verdade, a regra de design proposta estabelece uma base sólida para explorar novos condutores superiônicos com desempenho superior de carga e descarga, mesmo em temperatura ambiente”, conclui o Prof. Kanno.