As baterias de próxima geração, que utilizam novos materiais eletrolíticos, poderão atingir uma densidade de energia muito maior do que as baterias de íon-lítio atuais, sem muitas das preocupações com a segurança. No entanto, as baterias avançadas, como as que utilizam eletrólitos sólidos ou quase sólidos, têm sofrido com a formação de minúsculas protuberâncias de lítio metálico chamadas dendritos, que causam perda de eficiência e falha das baterias.

Ainda se debate como exatamente esses dendritos se formam. Embora a interface entre o eletrólito da bateria e os eletrodos tenha sido o foco da maioria das pesquisas, outro fator contribuinte é a fronteira onde dois grãos de eletrólito em um material sólido se encontram. Os pesquisadores sabem que essas fronteiras podem gerar dendritos dentro dos eletrólitos, embora os efeitos tenham sido difíceis de estudar.

Pesquisadores do MIT e da Universidade Técnica de Munique descobriram por que essas interfaces podem levar à formação de dendritos: desequilíbrios elétricos ocultos nessas interfaces afetam a condução de cargas elétricas pelo eletrólito, o que influencia o movimento de íons e elétrons pelo material durante o funcionamento da bateria. Em um artigo publicado hoje na Nature Nanotechnology , os pesquisadores caracterizaram o comportamento elétrico e químico dessas interfaces e demonstraram que o ajuste no processamento do eletrólito melhora o movimento dos íons e reduz o vazamento de elétrons. Esse ajuste pode aumentar a densidade de corrente crítica em mais de 300%, o que possibilitaria o desenvolvimento de baterias de estado sólido com carregamento mais rápido e maior duração.

“Os contornos de grão são como o clima: todo mundo fala sobre eles, mas ninguém faz nada a respeito”, diz o autor sênior Harry Tuller, professor do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais do MIT. “Neste artigo, decidimos fazer algo em relação aos contornos de grão e, ao fazer isso, mostramos um desempenho aprimorado e demonstramos a importância dos contornos de grão de forma mais ampla.”

Além de Tuller, o artigo conta com a colaboração do primeiro autor, Hyunwon Chu PhD '25; da ex-professora do MIT, Jennifer Rupp, professora de Materiais Eletroquímicos na Universidade Técnica de Munique (TUM), que liderou o estudo; dos pesquisadores da TUM Waldemar Kaiser, Lukas Wolz, Fran Kurnia, Kun Joong Kim, David Egger e Johanna Eichhorn; de Thomas Defferriere PhD '22; de Willis O'Leary PhD '24; e dos pesquisadores da Universidade de Antuérpia, Proloy Nandi, Johan Verbeeck, Sara Bals e Thomas Altantzis.

O grupo de pesquisa de Rupp, que se mudou do MIT para a TUM durante essa pesquisa, passou anos estudando o comportamento de materiais eletrolíticos de próxima geração. Os eletrólitos em baterias de estado sólido são feitos de muitos minúsculos cristais de material compactados.

“O que chamamos de grão, como um grão de sal, é na verdade um único cristal, mas pode ter apenas cerca de 1 mícron de tamanho”, explica Tuller. “Em processos de alta temperatura, os melhores materiais essencialmente se consolidam, ficando livres de vazios ou poros e podendo atingir quase 100% de densidade, mas cada um desses cristalitos é separado de seu vizinho por um limite de grão.”

Pesquisadores de baterias de estado sólido têm se concentrado cada vez mais nos contornos de grão como a origem dos dendritos de lítio metálico que causam curto-circuito. Suspeita-se que os contornos de grão possuam propriedades químicas e elétricas diferentes dos grãos, interagindo com os íons e elétrons que transitam entre os eletrodos durante o carregamento e descarregamento da bateria. No entanto, os mecanismos exatos pelos quais os contornos retardam os íons, causam vazamento de elétrons e levam à formação de dendritos eram desconhecidos.

“Os contornos de grão são como defeitos”, diz Tuller. “Os contornos têm um nível de defeitos maior do que os próprios grãos e, geralmente, isso significa que, à medida que os portadores de carga se aproximam do contorno, sejam elétrons ou íons, há algum tipo de bloqueio a ser superado.”

Para melhor compreender essa interferência, os pesquisadores desenvolveram um modelo para explicar como os desequilíbrios elétricos locais nos contornos de grão alteram o movimento dos íons de lítio e dos portadores de carga eletrônica. Eles testaram o modelo em um material eletrolítico sólido comum chamado zirconato de lítio e lantânio, ou LLZO, usando técnicas como microscopia eletrônica, modelagem de aprendizado de máquina e espectroscopia de impedância eletroquímica, que mede a facilidade com que uma carga se move através de um material.

Eles descobriram que os núcleos das interfaces carregam uma carga elétrica local, criando campos elétricos locais que levam a uma maior resistência iônica, ao mesmo tempo que causam um acúmulo de elétrons na região da interface, onde podem reduzir os íons de lítio, resultando na formação de dendritos de lítio metálico.

“Nos últimos 30 anos, o mundo foi dominado por baterias de íon-lítio, mas há um reconhecimento crescente de que outros tipos de baterias são necessários para diversas aplicações”, explica Rupp. “Este trabalho nos proporciona uma compreensão fundamental da interface de carga espacial no contorno de grão. Se compreendida corretamente, podemos desenvolver conceitos de engenharia para aumentar a vida útil, a transferência de íons em relação aos elétrons nessas interfaces e, em última análise, uma bateria melhor.”

Os pesquisadores utilizaram suas observações para ajustar as condições de processamento do material eletrolítico LLZO e minimizar as cargas negativas nas interfaces, descobrindo que isso poderia facilitar o movimento dos íons de lítio e reduzir o vazamento de elétrons.

As modificações permitiram criar um eletrólito com densidade de corrente crítica mais de 300% superior à de uma amostra de referência. Uma densidade de corrente mais alta possibilita carregamento e descarregamento mais rápidos, além de retardar a ocorrência de curto-circuito e prolongar a vida útil das baterias.

As descobertas, juntamente com o trabalho de engenharia dos pesquisadores, apresentam um roteiro para que os pesquisadores de baterias acelerem o desenvolvimento de baterias de estado sólido de alto desempenho e maior duração.

“Mostramos que podemos controlar a iniciação desses dendritos para maximizar o alto desempenho das baterias de estado sólido”, diz Chu. “Neste artigo, começamos com uma teoria sobre como esses dendritos se formam, depois fizemos a caracterização do material para apoiar essa teoria e, em seguida, aplicamos a engenharia para implementar as descobertas e, de fato, melhorar o desempenho da bateria.”

O trabalho foi financiado, em parte, pela Fundação Nacional de Ciência e pelo Departamento de Segurança Interna dos EUA.