Cerâmica híbrida

Jan 07, 2024

As futuras gerações de baterias de íon-lítio de estado sólido baseadas em eletrólitos híbridos de polímeros cerâmicos podem oferecer o potencial para maior armazenamento de energia, recarga mais rápida e maior estabilidade eletroquímica e térmica - ao mesmo tempo em que supera muitos dos desafios tecnológicos associados às baterias de estado sólido anteriores .

No Instituto de Tecnologia da Geórgia (Georgia Tech), os pesquisadores estão trabalhando para expandir sua compreensão fundamental desses eletrólitos híbridos, o componente que transfere carga entre eletrodos como as baterias de sistemas de energia, como veículos elétricos (EVs) - e são então recarregados. As baterias de íon-lítio amplamente usadas nos veículos elétricos atuais dependem de eletrólitos líquidos, que são suscetíveis a fugas térmicas e incêndios se forem danificados.

"Mostramos que podemos fabricar esses eletrólitos híbridos de estado sólido e colocá-los em células de moeda para demonstrar alto desempenho e alta estabilidade", disse Ilan Stern, principal cientista que lidera a pesquisa de baterias no Georgia Tech Research Institute ( GTRI), organização de pesquisa aplicada da Georgia Tech. "Criamos a base para mostrar que podemos desenvolver inovações em baterias de estado sólido com base nesses híbridos de polímero e cerâmica. Nosso próximo passo é integrar a tecnologia em células tipo bolsa, o tipo de bateria usado em veículos elétricos."

Os pesquisadores do GTRI estão trabalhando com colegas da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff da Georgia Tech, da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais e do Instituto Estratégico de Energia na pesquisa de um eletrólito conhecido como fosfato de lítio, alumínio e germânio (LAGP). Um componente de polímero conhecido como poli DOL envolve o eletrólito LAGP, fornecendo condutividade iônica interna que vai muito além dos eletrólitos cerâmicos existentes - sem as desvantagens dos líquidos inflamáveis. A equipe de fabricação e a colaboração acadêmica são lideradas por Jinho Park, um cientista pesquisador do GTRI. A síntese da cerâmica LAGP é liderada por Jason Nadler, um dos principais cientistas de pesquisa do GTRI.

Stern descreve os eletrólitos cerâmicos tradicionais como semelhantes a balas duras - pense em M&Ms - derramados no espaço entre o ânodo e o cátodo da bateria. As cerâmicas duras fornecem vantagens de segurança e armazenamento de energia, mas são limitadas em quanto elas entram em contato com os eletrodos para transferir cargas iônicas. A adição do polímero melhora drasticamente o contato interfacial entre os eletrodos e o eletrólito, mantendo a maioria das vantagens da cerâmica.

"A estabilidade eletroquímica, estabilidade térmica e estabilidade mecânica serão as principais diferenças entre os eletrólitos líquidos e esses híbridos", disse ele. "Estamos realmente pegando o melhor dos dois mundos. Como as baterias de estado sólido permitem o uso de um ânodo de Li-metal, o teto de capacidade é significativamente maior, então devemos ver um aumento dramático na densidade de energia em comparação com o convencional Baterias de íons de lítio baseadas em eletrólitos líquidos."

O eletrólito polímero-cerâmica híbrido se parece com um disco de hóquei, mas será mais resistente a danos do que uma cerâmica pura. "Certamente será muito mais indulgente do que uma cerâmica", disse Stern. "Mesmo que se desenvolvam microfissuras, o polímero fornecerá o andaime para garantir a integridade, mantendo-o unido estruturalmente."

As baterias de estado sólido ainda não estão em uso comercial, mas pelo menos um fabricante de veículos elétricos planeja colocá-las em veículos nos próximos anos, à medida que os fabricantes de baterias continuam fazendo melhorias. Mas a tecnologia é muito menos madura do que os sistemas de eletrólito líquido existentes, convidando inovações como o sistema híbrido no qual os pesquisadores da Georgia Tech estão trabalhando.

A pesquisa está sendo apoiada, em parte, por um compromisso independente de pesquisa e desenvolvimento de US$ 1,1 milhão por três anos da GTRI. "Com o investimento federal e estadual sem precedentes feito na Geórgia para veículos elétricos, fabricação de baterias e reciclagem, a GTRI continua a construir fortes colaborações para ajudar a identificar lacunas e novos modelos de negócios - e prever o número e os tipos de usinas de reciclagem necessárias para responder a demandas futuras do mercado", acrescentou Stern.