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O desenvolvimento de baterias totalmente em estado sólido é crucial para alcançar a neutralidade de carbono. No entanto, sua alta resistência superficial faz com que essas baterias tenham baixo rendimento, limitando suas aplicações. Para esse fim, os pesquisadores empregaram uma nova técnica para investigar e modular a dinâmica elétrica da dupla camada na interface eletrólito sólido/sólido. Os pesquisadores demonstram um controle sem precedentes da velocidade de resposta em mais de duas ordens de magnitude, um importante passo para a realização de baterias comerciais totalmente em estado sólido.
Em nossa busca por energia limpa e neutralidade de carbono, as baterias de íons de lítio totalmente em estado sólido (ASS-LIBs) oferecem uma promessa considerável. Espera-se que os ASS-LIBs sejam usados em uma ampla gama de aplicações, incluindo veículos elétricos (EVs). No entanto, a aplicação comercial dessas baterias enfrenta atualmente um gargalo – sua produção é reduzida devido à alta resistência de superfície. Além disso, o mecanismo exato dessa resistência superficial é até agora desconhecido. Os pesquisadores aludiram a um fenômeno chamado efeito de “dupla camada elétrica” (ou EDL) visto em substâncias coloidais (que são dispersões microscópicas de um tipo de partícula em outra substância).
O efeito EDL ocorre quando partículas coloidais ganham carga elétrica negativa adsorvendo os íons carregados negativamente do meio de dispersão em sua superfície. “Isso ocorre na interface eletrólito sólido/sólido, representando um problema em baterias de lítio totalmente em estado sólido”, explica o Dr. Tohru Higuchi, professor associado da Tokyo University of Science (TUS). O Dr. Higuchi, juntamente com os colegas Dr. Makoto Takayanagi da TUS, e Dr. Takashi Tsuchiya e Dr. Kazuya Terabe do Instituto Nacional de Ciência de Materiais no Japão, desenvolveu uma nova técnica para avaliar quantitativamente o efeito EDL no eletrólito sólido/sólido interface.
Um artigo detalhando sua técnica foi disponibilizado online em 8 de fevereiro de 2023 e foi publicado no Volume 31 da Materials Today Physics. Os pesquisadores empregaram um transistor EDL (EDLT) baseado em diamante terminado em hidrogênio (H-diamond) totalmente sólido para realizar medições de Hall e medições de resposta de pulso que determinaram as características de carregamento de EDL. Ao inserir uma camada intermediária de niobato de lítio ou fosfato de lítio de espessura nanométrica entre o diamante H e o eletrólito sólido de lítio, a equipe pôde investigar a resposta elétrica do efeito EDL na interface entre essas duas camadas. A composição do eletrólito, de fato, influenciou o efeito EDL em uma pequena região ao redor da interface do eletrodo. O efeito EDL foi reduzido quando um determinado eletrólito foi introduzido como uma camada intermediária entre a interface eletrodo/eletrólito sólido. A capacitância EDL para a interface de fosfato de lítio/H-diamante foi muito maior em comparação com a interface de niobato de lítio/H-diamante.
O artigo também explica como eles melhoraram o tempo de resposta de comutação para carregar ASS-EDLs. “Foi demonstrado que o EDL influencia as propriedades de comutação, por isso consideramos que o tempo de resposta de comutação para carregar ASS-EDLs poderia ser bastante melhorado controlando a capacitância do EDL. Usamos a propriedade não permeável a íons do diamante no elétron camada do transistor de efeito de campo e combinou-o com vários condutores de lítio”, narra o Dr. Higuchi.
A camada intermediária acelerou e desacelerou a velocidade de carregamento do EDL. O tempo de resposta elétrica do EDLT era altamente variável – variava de cerca de 60 milissegundos (comutação de baixa velocidade para interface de fosfato de lítio/diamante H) a cerca de 230 microssegundos (comutação de alta velocidade para interface de niobato de lítio/diamante H). A equipe, no entanto, exibiu controle sobre a velocidade de carregamento do EDL em mais de duas ordens de magnitude.
Em resumo, os pesquisadores conseguiram alcançar a modulação da portadora em todos os dispositivos de estado sólido e melhoraram suas características de carregamento. “Esses resultados de nossa pesquisa sobre a camada condutora de íons de lítio são importantes para melhorar a resistência da interface e podem levar à realização de todas as baterias de estado sólido com excelentes características de carga e descarga no futuro”, observa o otimista Dr. Higuchi.
Juntos, este é um passo importante para controlar a resistência da interface de ASS-LIBs que catalisa sua viabilidade para muitas aplicações. Também ajudará a projetar melhores dispositivos baseados em eletrólitos sólidos, uma classe de dispositivos que também inclui dispositivos neuromórficos.
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