Nova «armadura química» poderá abrir caminho para o Santo Graal da tecnologia das baterias de estado sólido
Um revestimento simples, aplicado numa única etapa, cria uma barreira híbrida de silício-índio sobre o metal de lítio, quadruplicando a densidade de corrente e prolongando a vida útil da bateria
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E se recarregar o seu carro elétrico não demorasse mais do que encher um depósito de gasolina e a bateria durasse décadas? Há muito que os cientistas depositam as suas esperanças nas baterias de lítio-metal para tornar isto uma realidade. Apelidado de «Santo Graal» do armazenamento de energia, o lítio metálico oferece uma capacidade teórica quase dez vezes superior à da grafite utilizada nos smartphones e veículos elétricos atuais. No entanto, sempre que os investigadores se aproximam desse objetivo, o metal desenvolve filamentos microscópicos semelhantes a árvores, chamados dendritos, que perfuram a bateria, provocam curto-circuitos e podem até causar incêndios.
Esta ilustração retrata a formação in situ da camada intermédia de PFSIn-Li num ânodo de lítio metálico. Um precursor líquido contendo um polímero de siloxano fluorado e um sal de índio reage na superfície do lítio para gerar uma película híbrida multifuncional. A rede de polímeros orgânicos interpenetra-se com nanodomínios inorgânicos de fluoreto de lítio, liga de lítio-índio e óxido de lítio-silício, suprimindo simultaneamente o crescimento de dendritos e estabilizando a interface com o eletrólito sólido de sulfureto.
©Science China Press
Agora, uma equipa da Universidade de Xidian, na China, pode ter encontrado uma forma de domar este metal indomável com um truque químico surpreendentemente simples: revestir a sua superfície com um líquido que se transforma, no próprio local, numa armadura durável e multifuncional.
Num estudo publicado na revista «SCIENCE CHINA Chemistry», investigadores liderados pelos professores Siwu Li, Weiwei Wu e Chuang Yu descrevem um revestimento moldado em solução, aplicado numa única etapa, que transforma uma superfície padrão de metal de lítio num escudo híbrido. O revestimento combina um polímero à base de silício com cloreto de índio. Quando aplicado ao lítio, a atividade química natural do metal desencadeia uma reação de redução in situ. Os grupos de flúor do polímero convertem-se em fluoreto de lítio, um isolante elétrico extremamente resistente, enquanto os iões de índio se reduzem e formam uma liga com o lítio, dando origem a minúsculas nanopartículas. Tudo isto ocorre no interior de uma película flexível, com 12 micrómetros de espessura, que adere firmemente à superfície do lítio.
«Esta camada híbrida funciona como uma fortaleza inteligente», explica o autor correspondente Siwu Li. «A estrutura do polímero proporciona flexibilidade para absorver a tensão mecânica resultante da expansão e contração do lítio. A fase de fluoreto de lítio bloqueia os eletrões para impedir a nucleação de dendritos. E as nanopartículas da liga de lítio-índio atuam como condutores de tráfego, orientando os iões de lítio para que se depositem uniformemente, em vez de se acumularem em picos perigosos.»
Os números revelam uma história impressionante. Em testes com células simétricas, o ânodo de lítio protegido suportou uma densidade de corrente crítica de 3,5 mA cm⁻², mais de quatro vezes os 0,8 mA cm⁻² que o lítio desprotegido consegue suportar antes de falhar. Em células completas combinadas com um cátodo de óxido de níquel-cobalto-manganês e um eletrólito sólido de sulfureto, o novo design proporcionou uma capacidade inicial de 129,8 mA·h·g⁻¹ e reteve 82,3% dessa capacidade após 300 ciclos a 0,5C. As células de lítio sem proteção retiveram apenas 43,0%.
Os investigadores utilizaram técnicas avançadas de espectroscopia e microscopia para confirmar a arquitetura híbrida. A difração de raios X e a espectroscopia fotoelétrica revelaram redes orgânicas de siloxano juntamente com fluoreto de lítio cristalino, índio metálico e liga de lítio-índio. A microscopia eletrónica de secção transversal mostrou uma película densa e uniforme, sem fissuras nem lacunas.
É importante referir que a composição química é compatível com o fabrico industrial do tipo «roll-to-roll». Uma vez que o revestimento é aplicado como uma simples solução líquida, pode ser integrado nas linhas de produção de baterias existentes utilizando técnicas de revestimento por fenda ou gravura, sem necessidade de câmaras de vácuo dispendiosas.
As baterias de estado sólido são amplamente consideradas como a próxima fronteira para veículos elétricos e armazenamento de energia à escala da rede, uma vez que substituem os eletrólitos líquidos inflamáveis por materiais sólidos mais seguros. Os eletrólitos de sulfureto são particularmente atraentes devido à sua condutividade iónica excepcionalmente elevada, mas a sua instabilidade em contacto com o lítio metálico tem sido um grande obstáculo. Esta nova estratégia de engenharia de interfaces elimina eficazmente esse obstáculo sem sacrificar o desempenho.
A equipa acredita que a sua abordagem abre caminho para a conceção de outras interfaces híbridas, substituindo o índio por metais alternativos, como o estanho ou o zinco. Por enquanto, a química do polissiloxano-índio oferece um caminho escalável e de baixo custo para baterias de alta energia e longa duração que, um dia, poderão alimentar tudo, desde a aviação elétrica até às redes de energia renovável.
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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