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Descobertas fundamentais e novas técnicas podem levar a baterias recarregáveis melhores e mais seguras.
UCLApesquisadores fizeram uma descoberta inovadora que poderia aumentar a segurança e a eficiência das baterias de metal de lítio. Ao prevenir a corrosão durante a deposição de lítio, os pesquisadores descobriram que os átomos de lítio formam um formato único de 12 lados, reduzindo o risco de explosões. Esta inovação poderá revolucionar potencialmente a tecnologia das baterias de lítio, levando a uma maior segurança e desempenho.
Baterias recarregáveis de íons de lítio alimentam smartphones, veículos elétricos e armazenamento de energia solar e eólica, entre outras tecnologias.
Eles descendem de outra tecnologia, a bateria de metal de lítio, que não foi desenvolvida ou adotada de forma tão ampla. Há uma razão para isso: embora as baterias de metal-lítio tenham o potencial de reter cerca do dobro da energia que as baterias de íon-lítio conseguem, elas também apresentam um risco muito maior de pegar fogo ou até mesmo explodir.
Pesquisa revolucionária em baterias de lítio-metal
Agora, um estudo realizado por membros do California NanoSystems Institute da UCLA revela uma descoberta fundamental que pode levar a baterias de metal de lítio mais seguras, com desempenho superior às atuais baterias de íons de lítio. A pesquisa foi publicada em 2 de agosto na revistaNatureza.
O lítio metálico reage tão facilmente com produtos químicos que, em condições normais, a corrosão se forma quase imediatamente enquanto o metal é depositado em uma superfície como um eletrodo. Mas os investigadores da UCLA desenvolveram uma técnica que evita essa corrosão e mostraram que, na sua ausência, os átomos de lítio adquirem uma forma surpreendente – o dodecaedro rômbico, uma figura de 12 lados semelhante aos dados usados em jogos de role-playing como Dungeons and Dragons.
Compreendendo os aspectos estruturais das baterias de metal de lítio
“Existem milhares de artigos sobre o metal lítio, e a maioria das descrições da estrutura é qualitativa, como 'robusta' ou 'semelhante a uma coluna'”, disse Yuzhang Li, autor correspondente do estudo, professor assistente de engenharia química e biomolecular na Escola de Engenharia Samueli da UCLA e membro do CNSI. "Foi surpreendente para nós descobrir que quando prevenimos a corrosão superficial, em vez destas formas mal definidas, vimos um poliedro singular que corresponde às previsões teóricas baseadas na estrutura cristalina do metal. Em última análise, este estudo permite-nos rever a forma como entendemos as baterias de metal-lítio."
Baterias contrastantes de íon-lítio e metal-lítio
Em escalas minúsculas, uma bateria de íons de lítio armazena átomos de lítio carregados positivamente em uma estrutura de carbono semelhante a uma gaiola que reveste um eletrodo. Por outro lado, uma bateria de metal de lítio reveste o eletrodo com lítio metálico. Isso contém 10 vezes mais lítio no mesmo espaço em comparação com as baterias de íon-lítio, o que é responsável pelo aumento no desempenho e no perigo.
O processo de aplicação do revestimento de lítio é baseado em uma técnica com mais de 200 anos que emprega eletricidade e soluções de sais chamados eletrólitos. Freqüentemente, o lítio forma filamentos ramificados microscópicos com pontas salientes. Numa bateria, se dois desses picos se cruzarem, pode causar um curto-circuito que pode levar a uma explosão.
Implicações da descoberta na segurança e desempenho da bateria
A revelação da verdadeira forma do lítio - isto é, na ausência de corrosão - sugere que o risco de explosão das baterias de metal-lítio pode ser reduzido, porque os átomos acumulam-se de uma forma ordenada, em vez de uma forma que pode cruzar-se. A descoberta também pode ter implicações substanciais para a tecnologia energética de alto desempenho.
“Cientistas e engenheiros produziram mais de duas décadas de pesquisas sobre a síntese de metais, incluindo ouro, platina e prata, em formatos como nanocubos, nanosferas e nanobastões”, disse Li. “Agora que conhecemos a forma do lítio, a questão é: podemos ajustá-lo para formar cubos, que podem ser compactados densamente para aumentar a segurança e o desempenho das baterias?”
Reimaginando o processo de deposição de lítio
Até agora, a visão predominante era que a escolha dos eletrólitos em solução determina a forma que o lítio forma numa superfície – se a estrutura se assemelha a pedaços ou colunas. Os pesquisadores da UCLA tiveram uma ideia diferente.
“Queríamos ver se conseguiríamos depositar lítio tão rapidamente que superássemos a reação que causa o filme de corrosão”, disse o estudante de doutorado da UCLA, Xintong Yuan, o primeiro autor do estudo. “Dessa forma, poderíamos ver como o lítio quer crescer na ausência desse filme.”
Refinando a técnica de deposição de lítio
Os pesquisadores desenvolveram uma nova técnica para depositar lítio mais rapidamente do que as formas de corrosão. Eles passaram a corrente através de um eletrodo muito menor para expulsar a eletricidade mais rapidamente – da mesma forma que o bloqueio parcial do bico de uma mangueira de jardim faz com que a água seja expelida com mais força.
No entanto, era necessário um equilíbrio, porque acelerar demais o processo levaria às mesmas estruturas pontiagudas que causam curtos-circuitos; a equipe resolveu esse problema ajustando o formato de seu minúsculo eletrodo.
Eles depositaram lítio em superfícies usando quatro eletrólitos diferentes, comparando os resultados entre uma técnica padrão e seu novo método. Com a corrosão, o lítio formou quatro formas microscópicas distintas. No entanto, com o seu processo livre de corrosão, descobriram que o lítio formava dodecaedros minúsculos – não maiores que 2 milionésimos de metro, ou aproximadamente o comprimento médio de uma única bactéria – em todos os quatro casos.
Desvendando a forma do lítio usando Cryo-EM
Os pesquisadores conseguiram ver a forma do lítio graças a uma técnica de imagem chamada microscopia crioeletrônica, ou crio-EM, que envia elétrons através de amostras congeladas para mostrar detalhes até o nível atômico, ao mesmo tempo que inibe danos às amostras.
Cryo-EM tornou-se onipresente nas biociências para determinar as estruturas de proteínas e vírus. O uso para a ciência dos materiais está crescendo e os pesquisadores da UCLA tiveram duas vantagens principais.
Primeiro, quando Li era estudante de pós-graduação, ele demonstrou que o crio-EM pode ser usado para analisar o lítio, que se despedaça quando exposto a um feixe de elétrons à temperatura ambiente. (Seu estudo foi publicado em 2017 na revista Science.) Em segundo lugar, a equipe realizou experimentos no Electron Imaging Center for Nanomáquinas do CNSI, que abriga vários instrumentos crio-EM que foram personalizados para acomodar os tipos de amostras usadas na pesquisa de materiais.