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Pesquisadores liderados pelo professor KANG Kisuk, do Centro de Pesquisa de Nanopartículas do Instituto de Ciências Básicas (IBS), anunciaram um grande avanço no campo das baterias de estado sólido de próxima geração. Acredita-se que suas novas descobertas permitirão a criação de baterias baseadas em um novo eletrólito sólido à base de cloreto que apresenta condutividade iônica excepcional.
Uma preocupação premente com as baterias comerciais atuais é a dependência de eletrólitos líquidos, o que leva a riscos de inflamabilidade e explosão. Portanto, o desenvolvimento de eletrólitos sólidos não combustíveis é de suma importância para o avanço da tecnologia de baterias de estado sólido. À medida que o mundo se prepara para regulamentar os veículos com motor de combustão interna e expandir a utilização de veículos eléctricos na mudança global em curso para o transporte sustentável, a investigação sobre os componentes principais das baterias secundárias, especialmente as baterias de estado sólido, ganhou um impulso significativo.
Para tornar as baterias de estado sólido práticas para o uso diário, é crucial desenvolver materiais com alta condutividade iônica, estabilidade química e eletroquímica robusta e flexibilidade mecânica. Embora pesquisas anteriores tenham levado com sucesso a eletrólitos sólidos à base de sulfeto e óxido com alta condutividade iônica, nenhum desses materiais atendeu totalmente a todos esses requisitos essenciais.
No passado, os cientistas também exploraram eletrólitos sólidos à base de cloreto, conhecidos por sua condutividade iônica superior, flexibilidade mecânica e estabilidade em altas tensões. Essas propriedades levaram alguns a especular que as baterias à base de cloreto são as candidatas mais prováveis para baterias de estado sólido. No entanto, estas esperanças desapareceram rapidamente, uma vez que as baterias de cloreto foram consideradas impraticáveis devido à sua forte dependência de metais de terras raras caros, incluindo ítrio, escândio e elementos lantanídeos, como componentes secundários.
Para abordar essas preocupações, a equipe de pesquisa do IBS analisou a distribuição de íons metálicos em eletrólitos de cloreto. Eles acreditavam que a razão pela qual os eletrólitos de cloreto trigonal podem atingir baixa condutividade iônica se baseia na variação dos arranjos de íons metálicos dentro da estrutura.
Eles primeiro testaram essa teoria em cloreto de ítrio e lítio, um composto comum de cloreto metálico de lítio. Quando os íons metálicos foram posicionados próximos ao caminho dos íons de lítio, as forças eletrostáticas causaram obstrução em seu movimento. Por outro lado, se a ocupação dos iões metálicos fosse demasiado baixa, o caminho para os iões de lítio tornava-se demasiado estreito, impedindo a sua mobilidade.
Com base nesses insights, a equipe de pesquisa introduziu estratégias para projetar eletrólitos de uma forma que mitigue esses fatores conflitantes, levando, em última análise, ao desenvolvimento bem-sucedido de um eletrólito sólido com alta condutividade iônica. O grupo foi além para demonstrar com sucesso essa estratégia, criando uma bateria de estado sólido de cloreto metálico de lítio baseada em zircônio, que é muito mais barata do que as variantes que empregam metais de terras raras. Este foi o primeiro caso em que foi demonstrada a importância do arranjo dos íons metálicos na condutividade iônica de um material.
Esta pesquisa traz à luz o papel frequentemente esquecido da distribuição de íons metálicos na condutividade iônica de eletrólitos sólidos à base de cloreto. Espera-se que a pesquisa do Centro IBS abra caminho para o desenvolvimento de vários eletrólitos sólidos à base de cloreto e impulsione ainda mais a comercialização de baterias de estado sólido, prometendo maior acessibilidade e segurança no armazenamento de energia.
O autor correspondente KANG Kisuk afirma: “Este recém-descoberto eletrólito sólido à base de cloreto está preparado para transcender as limitações dos eletrólitos sólidos convencionais à base de sulfeto e óxido, aproximando-nos um passo da adoção generalizada de baterias de estado sólido.”
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