Novo processo para baterias de estado sólido estáveis e de longa duração

As baterias de estado sólido são consideradas uma solução promissora para a electromobilidade, eletrónica móvel e armazenamento de energia estacionária - em parte porque não requerem electrólitos líquidos inflamáveis e, por isso, são inerentemente mais seguras do que as baterias de iões de lítio convencionais.

No entanto, há dois problemas fundamentais que impedem a preparação do mercado: Por um lado, a formação de dendritos de lítio no ânodo continua a ser um ponto crítico. Trata-se de estruturas metálicas minúsculas, semelhantes a agulhas, que podem penetrar no eletrólito sólido que conduz os iões de lítio entre os eléctrodos, propagar-se em direção ao cátodo e, por fim, provocar curto-circuitos internos. Por outro lado, uma instabilidade eletroquímica - na interface entre o ânodo de lítio metálico e o eletrólito sólido - pode prejudicar o desempenho e a fiabilidade da bateria a longo prazo.

Para ultrapassar estes dois obstáculos, a equipa liderada por Mario El Kazzi, chefe do grupo de Materiais para Baterias e Diagnósticos do Instituto Paul Scherrer PSI, desenvolveu um novo processo de produção: "Combinámos duas abordagens que, em conjunto, densificam o eletrólito e estabilizam a interface com o lítio", explica o cientista. A equipa apresentou estes resultados na revista Advanced Science.

O problema da densificação

No centro do estudo da PSI está o Li₆PS₅Cl (LPSCl), um eletrólito sólido à base de sulfureto de lítio, fósforo e enxofre. O mineral apresenta uma elevada condutividade do ião de lítio, permitindo um rápido transporte de iões dentro da bateria - um pré-requisito crucial para um elevado desempenho e processos de carregamento eficientes. Isto faz com que os electrólitos à base de argirócitos sejam candidatos promissores para baterias de estado sólido. Até agora, no entanto, a implementação tem sido dificultada pela dificuldade de densificar o material o suficiente para evitar a formação de espaços vazios nos quais os dendritos de lítio possam penetrar.

Para densificar o eletrólito sólido, os grupos de investigação têm recorrido a uma de duas abordagens: aplicar uma pressão muito elevada para comprimir o material à temperatura ambiente ou empregar processos que combinam pressão com temperaturas superiores a 400 graus Celsius. Nesta última abordagem, conhecida como sinterização clássica, a aplicação de calor e pressão faz com que as partículas se fundam numa estrutura mais densa.

Ambos os métodos, no entanto, podem levar a efeitos secundários indesejáveis: A compressão à temperatura ambiente é insuficiente porque resulta numa microestrutura porosa e num crescimento excessivo do grão. O processamento a temperaturas muito elevadas, por outro lado, acarreta o risco de degradação do eletrólito sólido. Por isso, os investigadores do PSI tiveram de seguir uma nova abordagem para obter um eletrólito robusto e uma interface estável.

O truque da temperatura

Para densificar a argirodite num eletrólito homogéneo, El Kazzi e a sua equipa incorporaram o fator temperatura, mas de uma forma mais cuidadosa: Em vez do processo clássico de sinterização, optaram por uma abordagem mais suave, em que o mineral foi comprimido sob pressão moderada e a uma temperatura moderada de apenas cerca de 80 graus Celsius. Esta sinterização suave revelou-se bem sucedida: O calor e a pressão moderados garantiram que as partículas se dispusessem como desejado, sem alterar a estabilidade química do material. As partículas do mineral formaram ligações estreitas entre si, as áreas porosas tornaram-se mais compactas e as pequenas cavidades fecharam-se. O resultado é uma microestrutura compacta e densa, resistente à penetração de dendritos de lítio. Já nesta forma, o eletrólito sólido é ideal para o transporte rápido de iões de lítio.

No entanto, a sinterização suave por si só não foi suficiente. Para garantir um funcionamento fiável mesmo com densidades de corrente elevadas, como as que se verificam durante o carregamento e descarregamento rápidos, a célula de estado totalmente sólido necessitou de mais modificações. Para o efeito, um revestimento de fluoreto de lítio (LiF), com apenas 65 nanómetros de espessura, foi evaporado sob vácuo e aplicado uniformemente na superfície do lítio - servindo como uma camada de passivação ultrafina na interface entre o ânodo e o eletrólito sólido.

Esta camada intermédia desempenha uma dupla função: Por um lado, impede a decomposição eletroquímica do eletrólito sólido em contacto com o lítio, suprimindo assim a formação de lítio "morto" e inativo. Por outro lado, actua como uma barreira física, impedindo a penetração de dendritos de lítio no eletrólito sólido.

Melhores resultados após 1.500 ciclos

Em testes laboratoriais com células-botão, a bateria demonstrou um desempenho extraordinário em condições exigentes. "A estabilidade do ciclo a alta tensão foi notável", afirma o doutorando Jinsong Zhang, autor principal do estudo. Após 1.500 ciclos de carga e descarga, a célula ainda retinha aproximadamente 75% da sua capacidade original. Isto significa que três quartos dos iões de lítio ainda estavam a migrar do cátodo para o ânodo. "Um resultado extraordinário. Estes valores estão entre os melhores registados até à data". Zhang vê assim uma boa hipótese de as baterias de estado sólido poderem em breve ultrapassar as baterias de iões de lítio convencionais com eletrólito líquido em termos de densidade energética e durabilidade.

Assim, El Kazzi e a sua equipa demonstraram pela primeira vez que a combinação de sinterização suave do eletrólito sólido e uma fina camada de passivação no ânodo de lítio suprime eficazmente tanto a formação de dendrite como a instabilidade interfacial - dois dos desafios mais persistentes nas baterias de estado sólido. Esta solução combinada representa um avanço importante na investigação de baterias de estado sólido - sobretudo porque oferece vantagens ecológicas e económicas: Devido às baixas temperaturas, o processo poupa energia e, consequentemente, custos. "A nossa abordagem é uma solução prática para a produção industrial de baterias de estado sólido à base de argirodite", afirma El Kazzi. "Mais alguns ajustes e podemos começar."