Em teoria, um eletrólito sólido — em vez de líquido — entre os eletrodos opostos de uma bateria permitiria o desenvolvimento de uma bateria recarregável de lítio metálico mais segura, com capacidade energética muito superior e carregamento consideravelmente mais rápido do que as baterias de íon-lítio disponíveis comercialmente hoje. Por décadas, cientistas e engenheiros têm explorado diversos caminhos para concretizar a grande promessa das baterias de lítio metálico. Um dos principais problemas com os eletrólitos sólidos e cristalinos em estudo tem sido a formação de microfissuras que se propagam durante o uso até a falha da bateria.

Pesquisadores de Stanford, com base em descobertas publicadas há três anos que identificaram como essas minúsculas imperfeições se formam e se expandem, descobriram que o recozimento de uma camada extremamente fina de prata na superfície do eletrólito sólido parece resolver grande parte do problema. Conforme relatado hoje na Nature Materials , esse revestimento torna a superfície do eletrólito cinco vezes mais resistente à fratura por pressão mecânica. Ele também torna as imperfeições existentes muito menos vulneráveis à penetração de lítio, especialmente durante recargas rápidas, que transformam nanofissuras em nanofendas e, eventualmente, inutilizam a bateria.

“O eletrólito sólido que nós e outros estamos trabalhando para aprimorar é um tipo de cerâmica que permite que os íons de lítio se movam facilmente de um lado para o outro, mas é quebradiço”, disse Wendy Gu , professora associada de engenharia mecânica e autora sênior do estudo. “Em uma escala incrivelmente pequena, é semelhante a pratos ou tigelas de cerâmica que você tem em casa e que apresentam pequenas rachaduras em suas superfícies.”

“Uma bateria de estado sólido real é feita de camadas de folhas empilhadas de cátodo-eletrólito-ânodo. Fabricá-las sem as menores imperfeições seria quase impossível e muito caro”, disse Gu. “Decidimos que uma superfície protetora seria mais realista, e uma pequena quantidade de prata parece funcionar muito bem.”

Pesquisas anteriores realizadas por outros cientistas investigaram o uso de revestimentos de prata metálica no mesmo material de eletrólito sólido – conhecido como “LLZO” por sua mistura de átomos de lítio, lantânio e zircônio, além de oxigênio – com o qual o presente estudo trabalhou. Enquanto os estudos anteriores utilizaram prata metálica para melhorar o desempenho da bateria, o novo estudo utilizou uma forma dissolvida de prata que perdeu um elétron (Ag+). Essa prata dissolvida e carregada – diferentemente da prata metálica sólida – é diretamente responsável pelo endurecimento da cerâmica, impedindo a formação de fissuras.

Os pesquisadores depositaram uma camada de prata de 3 nanômetros de espessura sobre superfícies de LLZO e, em seguida, aqueceram as amostras a 300 graus Celsius (572° Fahrenheit). Durante o aquecimento, os átomos de prata difundiram-se na superfície do eletrólito, trocando de lugar com átomos de lítio muito menores a uma profundidade de 20 a 50 nanômetros. A prata permaneceu como íons carregados positivamente, em vez de prata metálica, o que os cientistas acreditam ser fundamental para evitar a formação de fissuras. Onde existem imperfeições, a presença de alguns íons de prata positivos também impede que o lítio penetre e forme ramificações destrutivas dentro do eletrólito.

“Nosso estudo mostra que a dopagem com prata em nanoescala pode alterar fundamentalmente a forma como as fissuras se iniciam e se propagam na superfície do eletrólito, produzindo eletrólitos sólidos duráveis ??e resistentes a falhas para tecnologias de armazenamento de energia de próxima geração”, disse Xin Xu , que liderou a pesquisa como pós-doutorando em Stanford e agora é professor assistente de engenharia na Universidade Estadual do Arizona.

“Este método pode ser estendido a uma ampla gama de cerâmicas. Ele demonstra que revestimentos de superfície ultrafinos podem tornar o eletrólito menos quebradiço e mais estável sob condições eletroquímicas e mecânicas extremas, como carregamento rápido e pressão”, disse Xu, que trabalhou em Stanford no laboratório do Professor William Chueh , um dos autores principais do estudo e diretor do Instituto Precourt de Energia , que faz parte da Escola de Sustentabilidade Doerr de Stanford .

Utilizando uma sonda especializada dentro de um microscópio eletrônico de varredura, os pesquisadores mediram a força necessária para fraturar a superfície. O eletrólito sólido tratado com prata exigiu quase cinco vezes mais pressão para rachar, em comparação com o material não tratado.

Até o momento, os experimentos foram realizados com pequenas amostras de teste, e não com baterias completas. Os pesquisadores agora estão aplicando o tratamento de superfície à base de prata em baterias de lítio metálico completas para verificar o desempenho do revestimento em condições reais, como carregamento rápido repetido e uso prolongado.

Além disso, a equipe está pesquisando diversas estratégias para usar pressão mecânica em diferentes ângulos, o que pode prolongar a vida útil da bateria. Eles também estão estudando métodos para prevenir falhas em outros tipos de eletrólitos sólidos, como os à base de enxofre, que podem apresentar benefícios adicionais, como maior estabilidade química com lítio. A aplicação dessas descobertas em baterias emergentes à base de sódio é uma possibilidade intrigante, que pode ajudar a aliviar as restrições na cadeia de suprimentos de baterias à base de lítio.

A prata não é a única opção, afirmaram os pesquisadores. Testes iniciais com outros metais menos dispendiosos – o cobre, por exemplo – mostraram resultados promissores. Em conjunto, essas descobertas sugerem uma abordagem nova e flexível para o fortalecimento de materiais frágeis, o que pode ser crucial para as baterias de próxima geração.