Uma descoberta dos pesquisadores do MIT pode finalmente abrir a porta para o design de um novo tipo de bateria de lítio recarregável que é mais leve, compacta e segura do que as versões atuais, e que tem sido perseguida por laboratórios em todo o mundo há anos.

A chave para esse salto potencial na tecnologia de baterias é substituir o eletrólito líquido que fica entre os eletrodos positivo e negativo por uma camada muito mais fina e leve de material cerâmico sólido e substituir um dos eletrodos por metal de lítio sólido. Isso reduziria bastante o tamanho e o peso total da bateria e removeria o risco de segurança associado a eletrólitos líquidos, que são inflamáveis. Mas essa busca foi cercada por um grande problema: dendritos .

Os dendritos, cujo nome vem do latim para ramificações, são projeções de metal que podem se acumular na superfície do lítio e penetrar no eletrólito sólido , eventualmente passando de um eletrodo para o outro e provocando um curto-circuito na célula da bateria. Os pesquisadores não conseguiram chegar a um acordo sobre o que dá origem a esses filamentos de metal, nem houve muito progresso sobre como evitá-los e, assim, tornar as baterias leves de estado sólido uma opção prática.

A nova pesquisa, publicada hoje na revista Joule em um artigo do professor Yet-Ming Chiang do MIT, do estudante de pós-graduação Cole Fincher e de outros cinco do MIT e da Brown University, parece resolver a questão sobre o que causa a formação de dendritos. Também mostra como os dendritos podem ser impedidos de atravessar o eletrólito.

Chiang diz que no trabalho anterior do grupo, eles fizeram uma descoberta "surpreendente e inesperada", que foi que o material eletrólito duro e sólido usado para uma bateria de estado sólido pode ser penetrado pelo lítio, que é um metal muito macio, durante o processo. de carregar e descarregar a bateria, pois os íons de lítio se movem entre os dois lados.

Esse vaivém de íons faz com que o volume dos eletrodos mude. Isso inevitavelmente causa tensões no eletrólito sólido, que deve permanecer totalmente em contato com os dois eletrodos entre os quais está inserido. "Para depositar esse metal, tem que haver uma expansão do volume porque você está adicionando nova massa", diz Chiang. "Então, há um aumento de volume no lado da célula onde o lítio está sendo depositado. E se houver mesmo falhas microscópicas presentes, isso vai gerar uma pressão sobre essas falhas que pode causar rachaduras."

Essas tensões, a equipe agora mostrou, causam as rachaduras que permitem a formação de dendritos. A solução para o problema acaba sendo mais estresse, aplicado na direção certa e com a quantidade certa de força.

Embora anteriormente alguns pesquisadores pensassem que os dendritos eram formados por um processo puramente eletroquímico, e não mecânico, os experimentos da equipe demonstram que são as tensões mecânicas que causam o problema.

O processo de formação de dendritos normalmente ocorre nas profundezas dos materiais opacos da célula da bateria e não pode ser observado diretamente, então Fincher desenvolveu uma maneira de fazer células finas usando um eletrólito transparente, permitindo que todo o processo seja visto e registrado diretamente. "Você pode ver o que acontece quando você coloca uma compressão no sistema e pode ver se os dendritos se comportam ou não de maneira compatível com um processo de corrosão ou fratura", diz ele.

A equipe demonstrou que poderia manipular diretamente o crescimento dos dendritos simplesmente aplicando e liberando pressão, fazendo com que os dendritos ziguezagueassem em perfeito alinhamento com a direção da força.

A aplicação de tensões mecânicas ao eletrólito sólido não elimina a formação de dendritos, mas controla a direção de seu crescimento. Isso significa que eles podem ser direcionados para permanecerem paralelos aos dois eletrodos e impedidos de cruzar para o outro lado, tornando-se assim inofensivos.

Em seus testes, os pesquisadores usaram a pressão induzida pela flexão do material, que foi formado em uma viga com um peso em uma das extremidades. Mas eles dizem que, na prática, pode haver muitas maneiras diferentes de produzir o estresse necessário. Por exemplo, o eletrólito pode ser feito com duas camadas de material que possuem diferentes quantidades de expansão térmica, de forma que haja uma curvatura inerente do material, como é feito em alguns termostatos.

Outra abordagem seria "dopar" o material com átomos que ficariam embutidos nele, distorcendo-o e deixando-o em um estado de estresse permanente. Este é o mesmo método usado para produzir o vidro superduro usado nas telas de smartphones e tablets, explica Chiang. E a quantidade de pressão necessária não é extrema: os experimentos mostraram que pressões de 150 a 200 megapascais eram suficientes para impedir que os dendritos atravessassem o eletrólito.

A pressão necessária é "compatível com as tensões que são comumente induzidas em processos comerciais de crescimento de filmes e muitos outros processos de fabricação ", portanto, não deve ser difícil de implementar na prática, acrescenta Fincher.

Na verdade, um tipo diferente de estresse, chamado de pressão de pilha, costuma ser aplicado às células da bateria, essencialmente esmagando o material na direção perpendicular às placas da bateria - algo como comprimir um sanduíche colocando um peso em cima dele. Pensava-se que isso poderia ajudar a evitar que as camadas se separassem. Mas os experimentos demonstraram agora que a pressão nessa direção na verdade exacerba a formação de dendritos . "Mostramos que esse tipo de pressão de pilha realmente acelera a falha induzida por dendritos", diz Fincher.

Em vez disso, o que é necessário é pressão ao longo do plano das placas, como se o sanduíche estivesse sendo espremido pelas laterais. "O que mostramos neste trabalho é que, quando você aplica uma força compressiva, pode forçar os dendritos a viajarem na direção da compressão", diz Fincher, e se essa direção for ao longo do plano das placas, os dendritos "serão nunca chegar ao outro lado."

Isso poderia finalmente tornar prático produzir baterias usando eletrólito sólido e eletrodos metálicos de lítio. Eles não apenas acumulariam mais energia em um determinado volume e peso, mas também eliminariam a necessidade de eletrólitos líquidos, que são materiais inflamáveis.

Tendo demonstrado os princípios básicos envolvidos, o próximo passo da equipe será tentar aplicá-los à criação de um protótipo de bateria funcional, diz Chiang, e então descobrir exatamente quais processos de fabricação seriam necessários para produzir essas baterias em quantidade.

Embora tenham pedido uma patente, os pesquisadores não pretendem comercializar o sistema por conta própria, diz ele, pois já existem empresas trabalhando no desenvolvimento de baterias de estado sólido. “Eu diria que este é um entendimento dos modos de falha em baterias de estado sólido que acreditamos que a indústria precisa estar ciente e tentar usar no design de produtos melhores”, diz ele.

A equipe de pesquisa incluiu Christos Athanasiou e Brian Sheldon, da Brown University, e Colin Gilgenbach, Michael Wang e W. Craig Carter, do MIT.