Curto-circuitos em baterias de estado sólido: o mecanismo finalmente comprovado
Utilizando microscopia crioelectrónica sob vácuo, uma equipa do Max Planck resolveu um debate de uma década sobre a fissuração induzida por dendrite
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Smartphones, veículos eléctricos e muitos dispositivos portáteis dependem de baterias. A sua capacidade de armazenamento de energia, o seu tempo de vida e a sua segurança irão moldar fortemente o futuro da eletrificação. Entre as tecnologias de próxima geração mais prometedoras contam-se as baterias de estado sólido. Estas baterias permitirão que os smartphones funcionem durante vários dias, em vez de necessitarem de carregamento diário, e que os veículos eléctricos tenham um terço da autonomia das opções actuais.
Interior de uma bateria de iões de lítio em comparação com uma bateria de estado sólido. A utilização generalizada de baterias de estado sólido está até agora impedida devido à formação de dendritos durante o carregamento.
P. Mehta: Max-Planck-Institut für Nachhaltige Materialien GmbH
Ao contrário das baterias de iões de lítio atualmente muito utilizadas, que utilizam um eletrólito líquido entre dois eléctrodos sólidos, as baterias de estado sólido utilizam um eletrólito sólido. Esta conceção pode aumentar a densidade energética, melhorar a segurança e prolongar a vida útil da bateria. No entanto, um grande desafio continua a limitar a sua utilização comercial. Durante o carregamento, formam-se intrusões microscópicas conhecidas como dendrites. Estas minúsculas estruturas semelhantes a árvores crescem a partir do ânodo, penetram no eletrólito sólido e provocam curto-circuitos no interior da bateria.
Uma equipa interdisciplinar do Instituto Max Planck para Materiais Sustentáveis descobriu agora como é que os dendritos induzem a fratura, levando a curtos-circuitos. Os seus resultados foram publicados na revista Nature.
O que causa a fratura induzida por dendritos nas baterias de estado sólido?
A formação de dendritos em baterias de estado sólido é um fenómeno contra-intuitivo. "Embora os eléctrodos e as dendrites em formação sejam constituídos por lítio metálico, que é macio como uma goma, as dendrites conseguem penetrar no eletrólito cerâmico e provocar um curto-circuito", afirma o Dr. Yuwei Zhang, primeiro autor da nova publicação e chefe do grupo "Chemo-Mechanics of Battery Materials" no Instituto Max Planck para Materiais Sustentáveis. "Como é que os dendritos moles podem fraturar a cerâmica sólida e rígida? Há duas hipóteses: ou se cria uma tensão interna dentro dos dendritos e se induz a fratura mecânica do eletrólito sólido. Ou então, os electrões escapam ao longo dos limites dos grãos do eletrólito sólido, promovendo a formação de núcleos de lítio que se interligam mais tarde".
Para provar qualquer uma das hipóteses, os investigadores utilizaram uma configuração complexa de preparação de amostras e técnicas de caraterização de materiais, caracterizadas inteiramente sob vácuo e temperaturas criogénicas para excluir qualquer influência do oxigénio, da água ou do feixe de electrões dos microscópios.
A equipa do Max Planck analisou o estado de tensão e a atividade plástica das dendrites de lítio confinadas nas fendas e conseguiu mostrar que não havia enriquecimento de lítio antes da ponta da dendrite. "O lítio metálico macio é capaz de penetrar no eletrólito cerâmico rígido, como um jato de água contínuo que penetra numa rocha. Calculámos que a tensão hidrostática na dendrite conduz à fratura frágil do eletrólito sólido no final", diz Zhang. Simulações adicionais de campos de fase e medições de difração de retrodifusão de electrões confirmaram as suas descobertas.
Possíveis formas de prevenir ou retardar a fissuração induzida por dendrite
Depois de descobrirem como ocorre a fissuração induzida por dendrite, os investigadores estão agora a explorar estratégias para a evitar. As abordagens possíveis incluem o aumento da dureza do eletrólito sólido para atrasar a formação de fissuras, a introdução de vazios microscópicos que redireccionam o crescimento das dendrites e desviam as fissuras, ou a aplicação de revestimentos protectores nos eléctrodos de lítio para suprimir a formação de dendrites.
Estas descobertas sublinham como é crucial uma compreensão fundamental do comportamento dos materiais para transformar tecnologias promissoras em aplicações práticas e reais.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
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