Prata reforça baterias de estado sólido de Stanford

Pequenas falhas escondidas no interior das baterias estão, sem alarde, a limitar a rapidez com que podem carregar e a segurança com que funcionam. À medida que o carregamento rápido se torna habitual em telemóveis, computadores portáteis e veículos elétricos, estes defeitos minúsculos transformam-se num problema significativo.

O desafio é particularmente intenso nas baterias de lítio-metal de estado sólido, que substituem os líquidos inflamáveis por camadas cerâmicas rígidas.

Embora essa alteração prometa células mais seguras e mais potentes, a camada sólida pode fissurar sob pressão durante o carregamento ou o fabrico. Depois de surgir uma fissura, o lítio pode penetrá-la e provocar uma falha súbita.

Agora, engenheiros da Universidade de Stanford descrevem uma forma discreta de reforçar essa camada vulnerável antes de os danos se propagarem.

A equipa analisou de que modo pequenas modificações à superfície poderiam ajudar as baterias sólidas a suportar as tensões do carregamento rápido sem abrandar o fluxo de energia.

A promessa das baterias sólidas

A maioria das células de iões de lítio utiliza um eletrólito líquido, o fluido que transporta iões entre os dois elétrodos, e esse solvente pode arder se for danificado.

As versões sólidas trocam esse líquido por uma lâmina cerâmica ou semelhante a vidro, capaz de permitir a deslocação de iões enquanto impede fugas.

Uma revisão de 2022 indicou que ainda podem surgir calor perigoso e gases quando o lítio cresce de forma descontrolada no interior de baterias sólidas.

Esse risco mantém os investigadores concentrados na camada intermédia rígida, pois esta tem de resistir tanto a reações químicas como à pressão mecânica.

Reforço interno com prata

O trabalho incidiu sobre uma cerâmica rígida chamada LLZO, um material já utilizado em baterias de estado sólido experimentais para transportar lítio sem líquidos inflamáveis.

Os investigadores aplicaram à superfície uma camada extremamente fina de prata e aqueceram-na suavemente, permitindo que o metal penetrasse logo abaixo da camada mais exterior.

A essa profundidade reduzida, alguns átomos de prata ocuparam o lugar do lítio, em vez de criarem um revestimento separado. Esta substituição subtil reforçou a superfície de dentro para fora, sem acrescentar volume nem afetar o movimento do lítio ou da eletricidade.

Ao comprimir ligeiramente a superfície, a prata gerou uma compressão interna constante, que dificulta o início e a propagação de fissuras.

Em condições semelhantes às de uma bateria, esta maior resistência também limitou a entrada forçada de lítio em defeitos minúsculos durante o carregamento, reduzindo o risco de pequenas imperfeições evoluírem para curtos-circuitos.

Testar fissuras em baterias sob pressão

Para avaliar diretamente a resistência, a equipa pressionou uma pequena sonda contra o material até se formarem fissuras.

A superfície tratada com prata suportou quase cinco vezes mais força antes de quebrar do que a versão não tratada, demonstrando ser mais resistente mesmo antes do início de qualquer carregamento.

Isto é relevante durante o fabrico e o manuseamento, fases em que as camadas das baterias sólidas são habitualmente cortadas, empilhadas e comprimidas.

A resistência adicional também alterou o comportamento do lítio no carregamento rápido. Quando o lítio se acumula depressa no ânodo, pode criar dendrites em forma de agulha, que exercem tensão sobre as fissuras à superfície e as empurram para zonas mais profundas.

Na superfície tratada com prata, as fissuras formaram-se de outra maneira, favorecendo a distribuição do lítio pela superfície em vez da sua penetração para o interior.

Este comportamento de deposição mais amplo poderá proporcionar tempo valioso durante o carregamento a correntes elevadas, embora ainda precise de confirmação em células de bateria completas.

Procurar soluções mais económicas

A prata é útil, mas não é barata, pelo que os investigadores testaram outros metais capazes de proporcionar um reforço superficial semelhante.

Ensaios laboratoriais iniciais sugeriram que o cobre também pode endurecer o LLZO, porque os seus iões conseguem encaixar em posições à superfície após o aquecimento.

“Decidimos que uma superfície protetora poderá ser mais realista, e apenas uma pequena quantidade de prata parece fazer um trabalho bastante bom”, afirmou a coautora do estudo X. Wendy Gu, professora do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade de Stanford.

Esta flexibilidade é importante à medida que a procura por baterias de lítio continua a aumentar e as cadeias de abastecimento enfrentam uma pressão crescente. Mais tarde, a mesma estratégia de superfície poderá até beneficiar células de sódio, o que poderia aliviar a pressão sobre as cadeias de abastecimento de lítio.

Levar os revestimentos além do laboratório

Até ao momento, o tratamento com prata foi testado apenas em pequenas amostras de eletrólito, e não em células de bateria completas com ambos os elétrodos ligados.

As células completas introduzem novos pontos de falha nas suas interfaces, onde um contacto deficiente pode abrandar o fluxo de iões e aumentar o calor.

Ainda assim, o revestimento não alterou de forma percetível o movimento da eletricidade ou do lítio à superfície, o que aponta para a resistência mecânica adicional como a principal origem da melhoria.

Ao longo do estudo, esta solução centrada na superfície transformou um ponto fraco conhecido numa barreira mais resistente contra fissuras e a intrusão de lítio.

Se testes futuros confirmarem que a durabilidade se mantém ao longo de muitos ciclos de carga, a abordagem poderá ser combinada com outras estratégias destinadas a estabilizar baterias de estado sólido.

O desafio da produção em massa

A passagem do laboratório para a fábrica acrescenta outro nível de dificuldade. As folhas de eletrólito sólido são cortadas, empilhadas e comprimidas milhares de vezes durante a montagem, tornando as pequenas imperfeições quase inevitáveis.

Como observou um investigador, produzir camadas perfeitamente isentas de defeitos em grande escala seria extremamente difícil e dispendioso.

A possibilidade de a superfície tratada com prata resistir a estas condições determinará se a técnica chegará às baterias comerciais. Os fabricantes também terão de gerir os custos e os impactos da reciclagem.

Crédito da imagem: Chaoyang Zhao