Tecnologia Científica

O material de borracha é a chave para baterias EV duradouras e mais seguras
Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia podem ter encontrado uma alternativa promissora às baterias convencionais de íons de lítio feitas de um material comum: borracha.
Por Instituto de Tecnologia da Geórgia - 12/01/2022


Um pesquisador estica o material de borracha em larga escala. Crédito: Georgia Tech

Para que os veículos elétricos (EVs) se tornem populares, eles precisam de baterias econômicas, seguras e duradouras que não explodam durante o uso ou prejudiquem o meio ambiente. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia podem ter encontrado uma alternativa promissora às baterias convencionais de íons de lítio feitas de um material comum: borracha.

Os elastômeros, ou borrachas sintéticas, são amplamente utilizados em produtos de consumo e tecnologias avançadas, como eletrônicos vestíveis e robótica macia, devido às suas propriedades mecânicas superiores. Os pesquisadores descobriram que o material, quando formulado em uma estrutura 3D, agiu como uma superestrada para o transporte rápido de íons de lítio com resistência mecânica superior, resultando em baterias de carregamento mais longas que podem ir mais longe. A pesquisa, realizada em colaboração com o Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia, foi publicada na quarta-feira na revista Nature.

Nas baterias convencionais de íons de lítio , os íons são movidos por um eletrólito líquido . No entanto, a bateria é inerentemente instável: mesmo o menor dano pode vazar para o eletrólito , causando explosão ou incêndio. As questões de segurança forçaram a indústria a olhar para as baterias de estado sólido , que podem ser feitas com material cerâmico inorgânico ou polímeros orgânicos.

"A maior parte da indústria está se concentrando na construção de eletrólitos inorgânicos de estado sólido. Mas eles são difíceis de fabricar, caros e não são ecologicamente corretos", disse Seung Woo Lee, professor associado da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff , que é parte de uma equipe de pesquisadores que descobriram um polímero orgânico à base de borracha superior a outros materiais. Eletrólitos de polímeros sólidos continuam atraindo grande interesse devido ao seu baixo custo de fabricação, não toxicidade e natureza macia. No entanto, eletrólitos de polímeros convencionais não possuem condutividade iônica e estabilidade mecânica suficientes para operação confiável de baterias de estado sólido.

O novo design 3D leva a um salto na densidade de energia, desempenho

Os engenheiros da Georgia Tech resolveram problemas comuns (transporte lento de íons de lítio e propriedades mecânicas ruins) usando os eletrólitos de borracha. O principal avanço foi permitir que o material formasse uma fase de cristal plástico tridimensional (3D) interconectada dentro da robusta matriz de borracha. Esta estrutura única resultou em alta condutividade iônica, propriedades mecânicas superiores e estabilidade eletroquímica.
 
Este eletrólito de borracha pode ser feito usando um processo de polimerização simples em condições de baixa temperatura, gerando interfaces robustas e suaves na superfície dos eletrodos. Essas características exclusivas dos eletrólitos de borracha evitam o crescimento de dendritos de lítio e permitem a movimentação de íons mais rápida, permitindo a operação confiável de baterias de estado sólido mesmo em temperatura ambiente.

"A borracha tem sido usada em todos os lugares por causa de suas altas propriedades mecânicas e nos permitirá fabricar baterias baratas, mais confiáveis ​​e seguras", disse Lee.

"Uma condutividade iônica mais alta significa que você pode mover mais íons ao mesmo tempo", disse Michael Lee, pesquisador de pós-graduação em engenharia mecânica. “Ao aumentar a energia específica e a densidade de energia dessas baterias, você pode aumentar a quilometragem do EV”.

Os pesquisadores agora estão procurando maneiras de melhorar o desempenho da bateria aumentando seu tempo de ciclo e diminuindo o tempo de carregamento por meio de uma condutividade iônica ainda melhor. Até agora, seus esforços viram uma melhoria de duas vezes no desempenho / tempo de ciclo da bateria.

O trabalho pode melhorar a reputação da Geórgia como um centro de inovação em veículos elétricos. A SK Innovation, uma empresa global de energia e petroquímica, está financiando pesquisas adicionais do material eletrolítico como parte de sua colaboração contínua com o Instituto para construir baterias de estado sólido de próxima geração que são mais seguras e mais densas em energia do que as baterias convencionais de íons de lítio. A SK Innovation anunciou recentemente a construção de uma nova fábrica de baterias para veículos elétricos em Commerce, na Geórgia, que deverá produzir um volume anual de baterias de íons de lítio igual a 21,5 Gigawatt-hora até 2023.

"Baterias totalmente em estado sólido podem aumentar drasticamente a quilometragem e a segurança dos veículos elétricos . Empresas de baterias em rápido crescimento, incluindo a SK Innovation, acreditam que a comercialização de baterias totalmente em estado sólido se tornará um divisor de águas no mercado de veículos elétricos", disse Kyounghwan Choi, diretor do centro de pesquisa de baterias de próxima geração da SK Innovation. "Através do projeto em andamento em colaboração com a SK Innovation e o professor Seung Woo Lee da Georgia Tech, há grandes expectativas para a rápida aplicação e comercialização de baterias totalmente em estado sólido."

 

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