Material com potencial para baterias de iões de lítio mais seguras atinge um nível recorde de condutividade
Novo mecanismo de condutividade nos oxifluoretos derruba o dogma do sulfureto
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Há uma boa razão para que, sempre que faz o check-in para um voo, lhe seja pedido que confirme que não há carregadores portáteis nem power banks na sua bagagem de porão. Um eletrólito líquido altamente inflamável transporta iões de lítio (Li) entre os elétrodos das baterias de iões de lítio que alimentam estes dispositivos. Consequentemente, se uma bateria de iões de lítio for danificada, o seu eletrólito líquido pode provocar um incêndio catastrófico.
Os eletrólitos sólidos, que podem ajudar a reduzir este risco, constituem uma área de investigação ativa. Um dos desafios mais importantes na fabricação de baterias de estado sólido é aumentar a sua condutividade iônica, ou seja, a facilidade com que os iões de lítio com carga positiva se movem através do eletrólito sólido.
Existem alguns eletrólitos sólidos que contêm materiais à base de sulfureto e cloreto que apresentam elevada condutividade. Esta condutividade deve-se ao facto de as nuvens de eletrões em torno dos iões de sulfureto ou cloreto, com carga negativa, se poderem deformar facilmente à medida que os iões de lítio passam pelo material. No entanto, estes eletrólitos apresentam os seus próprios problemas de segurança: a exposição à humidade pode libertar gases tóxicos, como sulfureto de hidrogénio e cloreto de hidrogénio, para a atmosfera.
Em comparação, os óxidos e os oxifluoretos são muito mais robustos. Quando utilizados como eletrólitos sólidos, são também mais estáveis do ponto de vista eletroquímico, o que é importante porque os materiais das baterias sofrem variações repetidas de tensão durante o carregamento e a descarga. Mas, por outro lado, têm geralmente apresentado baixa condutividade.
«Nesta fase, a segurança e a condutividade iônica são um compromisso», afirmou Takeshi Yajima, professor associado do Departamento de Engenharia de Inovação em Design de Materiais da Universidade de Nagoya. «Os oxifluoretos são mais seguros, mas têm baixa condutividade, enquanto os sulfetos têm alta condutividade, mas podem ser perigosos.»
Um condutor surpreendentemente bom…
Em 2024, descobriu-se que um novo cristal de oxifluoreto com a fórmula químicaLi₂–xLa(1+x)/3Nb₂O₆F, abreviado como «LLNOF», revelou possuir uma condutividade invulgarmente elevada de sete milisiemens por centímetro (mS/cm), comparável à dos eletrólitos líquidos. Mas a razão pela qual apresentava esta condutividade continuava a ser um mistério: a nuvem de eletrões em torno do ião fluoreto central não se deforma tão facilmente como nos sulfuretos ou cloretos, o que não permite explicar o comportamento do LLNOF através do mecanismo anteriormente conhecido.
Pouco depois desta descoberta, Yajima e o seu laboratório decidiram produzir os seus próprios cristais únicos de LLNOF de alta qualidade para identificar o mecanismo. Segundo Yajima, esta foi a parte mais difícil, tendo demorado mais de um ano a concretizar. «Tivemos de garantir que os cristais fossem de qualidade suficientemente elevada para a análise estrutural», afirmou.
Mas os esforços dos investigadores deram frutos, pois conseguiram cultivar cristais únicos de LLNOF com dimensões milimétricas utilizando o método de Bridgman. Recorrendo à difração de cristais únicos, conseguiram observar a disposição e o rearranjo local dos átomos dentro de cada unidade cristalina.
…revela o seu segredo
O que descobriram foi uma interação dinâmica entre quatro sítios atómicos que formam um tetraedro em torno do ião fluoreto do LLNOF. Cada um destes sítios pode conter um ião de lítio, um átomo de lantânio ou permanecer vago. Os investigadores descobriram que, sempre que um ião de Li salta para o próximo local vago, o ião de fluoreto central migra ligeiramente na direção do local original do lítio. Os iões de fluoreto «saem do caminho», reduzindo a barreira energética que impede os iões de Li de se deslocarem.
É por isso que, em comparação com outros oxifluoretos em que os átomos permanecem rígidos, o LLNOF apresenta uma maior condutividade de iões de lítio.
Os investigadores ajustaram então a composição deste cristal, alterando as quantidades relativas de lítio, lantânio e sítios vagos no LLNOF (o «x» na sua fórmula química). Descobriram que a condutividade melhorou com a redução de x, atingindo um valor máximo de 16,3 mS/cm. Este resultado, que representa a maior condutividade de iões de lítio em massa já registada entre os eletrólitos sólidos à base de óxidos, foi publicado no Journal of the American Chemical Society.
Yajima acredita que este mecanismo, que não depende de iões altamente polarizáveis, pode ser utilizado para desenvolver eletrólitos sólidos à base de óxidos ainda mais eficientes. «O entendimento geral tem sido o de que os materiais à base de sulfureto são melhores condutores devido ao seu caráter aniônico, mas este mecanismo desafia esse entendimento», acrescenta. Esta investigação marca um passo importante no sentido da concretização de baterias de iões de lítio de estado sólido práticas.
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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