UCLA abre caminho para melhor lítio

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Inventadas por John B. Goodenough na década de 1980, as baterias de íon-lítio são uma parte indispensável de nossas vidas. Eles constituem sistemas eficazes de armazenamento de energia elétrica e são usados ​​em eletrônicos, brinquedos, ferramentas elétricas portáteis, eletrodomésticos pequenos e grandes, fones de ouvido sem fio, veículos elétricos, etc.

Mas eles vêm com seus riscos e desafios. Se carregadas muito rapidamente, estas baterias podem explodir ou causar incêndios. Eles podem fornecer correntes extremamente altas e descarregar rapidamente quando em curto-circuito.

Na verdade, mais de 100 bicicletas explodiram na cidade de Nova Iorque devido às baterias de iões de lítio que alimentam essas bicicletas. Isso resultou em 13 mortes somente neste ano.

As baterias de íon-lítio descendem de outra tecnologia - a bateria de metal-lítio, que tem maior potencial de explosão, visto que possuem cerca do dobro da capacidade energética.

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. Enquanto uma bateria de metal de lítio reveste o eletrodo com lítio metálico, que embala 10 vezes mais lítio no mesmo espaço. Isso dá a este último uma bateria de alto desempenho.

E agora, um estudo realizado por uma equipe de pesquisa da Universidade da Califórnia em Los Angeles (UCLA) afirma que foi encontrada uma maneira de impedir a explosão de baterias de metal de lítio. Isso poderia levar a baterias de metal de lítio mais seguras, com potencial para superar as baterias de íons de lítio.

Se as correntes de carga e descarga e a temperatura das baterias forem controladas, elas são seguras. Mas o lítio metálico pode corroer imediatamente quando o metal é colocado sobre uma superfície, como um eletrodo, porque reage rapidamente com produtos químicos. Mas a equipe da UCLA desenvolveu uma técnica que evita essa corrosão.

A equipe evitou a corrosão e descobriu que, em vez das formas 'robustas' ou 'semelhantes a uma coluna' que a estrutura metálica de lítio normalmente teria, eles viram um poliedro singular, que a equipe descreve como um “dodecaedro rômbico, uma figura de 12 lados semelhante aos dados usados ​​em jogos de RPG como Dungeons and Dragons”, no comunicado à imprensa.

Na ausência de corrosão, a equipe disse que o poliedro singular é a verdadeira forma do lítio. A descoberta pode ter implicações significativas 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 Yuzhang Li, coautor do estudo. “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?”

O estudo foi publicado na revista científica Nature.

Resumo do estudo:

A eletrodeposição do metal lítio (Li) é crítica para baterias de alta energia. No entanto, a formação simultânea de um filme de corrosão superficial denominado interfase de eletrólito sólido (SEI) complica o processo de deposição, o que sustenta nossa fraca compreensão da eletrodeposição de metal Li. Aqui dissociamos esses dois processos interligados, ultrapassando a formação de SEI em densidades de corrente de deposição ultrarrápidas, evitando também limitações de transporte de massa. Usando microscopia eletrônica criogênica, descobrimos que a morfologia de deposição intrínseca do Li metálico é a de um dodecaedro rômbico, que é surpreendentemente independente da química do eletrólito ou do substrato do coletor de corrente. Em uma arquitetura de célula tipo moeda, esses dodecaedros rômbicos exibem conectividade de contato próximo ao ponto com o coletor de corrente, o que pode acelerar a formação inativa de Li. Propomos um protocolo de corrente de pulso que supera esse modo de falha, aproveitando o dodecaedro rômbico de Li como sementes de nucleação, permitindo o crescimento subsequente de Li denso que melhora o desempenho da bateria em comparação com uma linha de base. Embora a deposição de Li e a formação de SEI sempre tenham estado intimamente ligadas em estudos anteriores, nossa abordagem experimental permite novas oportunidades para compreender fundamentalmente esses processos dissociados uns dos outros e trazer novos insights para projetar baterias melhores.