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Baterias de veículos elétricos (EV) significativamente melhoradas podem estar um passo mais perto, graças a um novo estudo liderado por pesquisadores da Universidade de Oxford, publicado hoje em Natureza. Usando técnicas avançadas de imagem, isso revelou mecanismos que causam falhas nas baterias de estado sólido de lítio metálico (Li-SSBs). Se isso puder ser superado, as baterias de estado sólido usando ânodos de metal de lítio podem oferecer uma melhoria radical no alcance, segurança e desempenho da bateria EV e ajudar no avanço da aviação movida a eletricidade.
Um dos co-autores principais do estudo, Dominic Melvin, estudante de doutorado no Departamento de Materiais da Universidade de Oxford, disse: ‘Progredir baterias de estado sólido com ânodos metálicos de lítio é um dos desafios mais importantes enfrentados pelo avanço das tecnologias de baterias. . Embora as baterias de íons de lítio de hoje continuem a melhorar, a pesquisa em baterias de estado sólido tem o potencial de ser altamente recompensadora e uma tecnologia revolucionária.’
As Li-SSBs são diferentes de outras baterias porque substituem o eletrólito líquido inflamável em baterias convencionais por um eletrólito sólido e usam lítio metálico como ânodo (eletrodo negativo). O uso do eletrólito sólido melhora a segurança, e o uso do metal lítio significa que mais energia pode ser armazenada. Um desafio crítico com Li-SSBs, no entanto, é que eles são propensos a curto-circuito durante o carregamento devido ao crescimento de ‘dendritos’: filamentos de metal de lítio que quebram o eletrólito cerâmico. Como parte do projeto SOLBAT da Faraday Institution, pesquisadores dos Departamentos de Materiais, Química e Engenharia da Universidade de Oxford conduziram uma série de investigações aprofundadas para entender mais sobre como esse curto-circuito acontece.
Neste último estudo, o grupo usou uma técnica de imagem avançada chamada tomografia computadorizada de raios-X na Diamond Light Source para visualizar a falha do dendrito em detalhes sem precedentes durante o processo de carregamento. O novo estudo de imagem revelou que o início e a propagação das rachaduras dendríticas são processos separados, conduzidos por mecanismos subjacentes distintos. As rachaduras dendríticas iniciam quando o lítio se acumula nos poros da subsuperfície. Quando os poros ficam cheios, o carregamento adicional da bateria aumenta a pressão, levando a rachaduras. Em contraste, a propagação ocorre com o lítio preenchendo apenas parcialmente a trinca, por meio de um mecanismo de abertura em cunha que abre a trinca por trás.
Esse novo entendimento aponta o caminho a seguir para superar os desafios tecnológicos dos Li-SSBs. Dominic Melvin disse: ‘Por exemplo, enquanto a pressão no ânodo de lítio pode ser boa para evitar o desenvolvimento de lacunas na interface com o eletrólito sólido na descarga, nossos resultados demonstram que muita pressão pode ser prejudicial, fazendo a propagação de dendritos e curto-circuito no cobrando mais provável.’
Sir Peter Bruce, Wolfson Chair, professor de materiais na Universidade de Oxford, cientista-chefe da Faraday Institution e autor correspondente do estudo, disse: “O processo pelo qual um metal macio como o lítio pode penetrar em uma cerâmica dura altamente densa eletrólito provou ser difícil de entender com muitas contribuições importantes de excelentes cientistas em todo o mundo. Esperamos que os insights adicionais que obtivemos ajudem o progresso da pesquisa de baterias de estado sólido em direção a um dispositivo prático.’
De acordo com um relatório recente da Faraday Institution, os SSBs podem satisfazer 50% da demanda global por baterias em eletrônicos de consumo, 30% em transporte e mais de 10% em aeronaves até 2040.
A professora Pam Thomas, CEO da Faraday Institution, disse: ‘Os pesquisadores do SOLBAT continuam a desenvolver uma compreensão mecanicista da falha da bateria de estado sólido – um obstáculo que precisa ser superado antes que baterias de alta potência com desempenho comercialmente relevante possam ser realizadas para aplicações automotivas . O projeto está informando estratégias que os fabricantes de células podem usar para evitar falhas de células para esta tecnologia. Essa pesquisa inspirada em aplicativos é um excelente exemplo do tipo de avanço científico que a Faraday Institution foi criada para promover.’
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