Um eletrólito flexível para baterias sólidas

Isto é uma bateria: dois eléctrodos com polaridades diferentes e, entre eles, um eletrólito, que permite a transferência de iões (e desactiva a condutividade eletrónica) entre os eléctrodos e, assim, a carga e descarga da bateria. Na maioria das baterias, o eletrólito é um líquido inflamável. As chamadas baterias de estado sólido utilizam uma substância sólida como eletrólito. Isto não só as torna mais seguras, como o eletrólito sólido também permite a utilização de materiais alternativos para os eléctrodos, como o lítio metálico puro para o ânodo. Como resultado, as baterias de estado sólido podem potencialmente atingir densidades de energia muito mais elevadas, ou seja, armazenar mais eletricidade por volume - uma vantagem para uma vasta gama de aplicações, desde carros eléctricos a eletrónica portátil.

No entanto, como é frequentemente o caso, esta tecnologia promissora ainda tem alguns "problemas iniciais" que colocam desafios à investigação e à indústria. Os investigadores do Laboratório de Polímeros Funcionais da Empa estão a trabalhar num novo eletrólito que poderá resolver vários problemas ao mesmo tempo. Ao contrário da maioria dos electrólitos para baterias de estado sólido, que são feitos de materiais rígidos, o seu eletrólito sólido é macio e extensível.

Condutor de iões à base de silicone

Esta inovação é o resultado de uma química inteligente. O polímero de partida para o eletrólito é um polissiloxano, mais conhecido como silicone. Este composto elástico tem uma grande desvantagem para a investigação de baterias: É apolar e, por isso, incapaz de dissolver as partículas carregadas, os iões. Os investigadores liderados por Dorina Opris conseguiram adicionar grupos funcionais à "espinha dorsal" do polímero, tornando-o um bom condutor de iões e mantendo as suas vantajosas propriedades elásticas.

A elasticidade é um dos principais pontos fortes do eletrólito polimérico. As actuais baterias de iões de lítio utilizam um ânodo baseado em sais de lítio. A utilização de lítio metálico puro como material do ânodo poderia potencialmente atingir densidades de energia mais elevadas. Quando a bateria é descarregada, os iões de lítio "migram" para longe do ânodo metálico; quando este é carregado, regressam. No entanto, não se depositam numa camada uniforme na superfície do ânodo, mas formam os chamados dendritos: estruturas de lítio semelhantes a árvores que podem "crescer" até ao cátodo em poucos ciclos de carga e provocar um curto-circuito.

A utilização de um eletrólito sólido impede o crescimento das dendrites. No entanto, quando os iões se afastam do ânodo, deixam para trás espaços vazios - vazios - que podem fazer com que o ânodo perca o contacto com o eletrólito e reduza a capacidade da bateria. É aqui que o eletrólito elástico desenvolvido pelos investigadores da Empa mata dois coelhos com uma cajadada só: É suficientemente sólido para evitar a formação de dendritos, mas é suficientemente elástico para preencher os espaços vazios e compensar as alterações de volume no ânodo durante a carga e a descarga.

Em direção a baterias flexíveis

Com os materiais adequados para os eléctrodos, o eletrólito pode também ser utilizado para fabricar baterias flexíveis. "As actuais baterias para implantes médicos, como os pacemakers, são normalmente duras e desconfortáveis para os pacientes", explica Dorina Opris. "O nosso polímero pode servir não só como eletrólito, mas também como material aglutinante para o cátodo". O investigador da Empa, Can Zimmerli, acrescenta: "O polímero flexível pode ser combinado com diferentes materiais activos do cátodo, permitindo baterias para várias aplicações".

A flexibilidade e a segurança não são as únicas vantagens do eletrólito inovador. "O material pode ser processado em películas finas de alguns micrómetros de espessura e é escalável", diz Opris. "Se for produzido à escala industrial, é também mais barato do que os electrólitos de polímeros sólidos convencionais." Os investigadores estão agora a trabalhar para melhorar ainda mais a condutividade iónica do eletrólito de silicone - e, ao mesmo tempo, a procurar um parceiro industrial adequado para começar a comercializar a tecnologia.