Novo modelo oferece soluções potenciais para o próximo

Um novo estudopor pesquisadores da Universidade de Stanford ilumina um caminho a seguir para a construção de baterias de metal de lítio melhores e mais seguras.

Primas próximas das células recarregáveis ​​de íon-lítio amplamente utilizadas em eletrônicos portáteis e carros elétricos, as baterias de metal-lítio são uma tremenda promessa como dispositivos de armazenamento de energia da próxima geração. Em comparação com dispositivos de íons de lítio, as baterias de metal de lítio retêm mais energia, carregam mais rápido e pesam consideravelmente menos.

Até o momento, porém, o uso comercial de baterias recarregáveis ​​de metal de lítio tem sido limitado. A principal razão é a formação de “dendritos” – estruturas finas, metálicas, semelhantes a árvores, que crescem à medida que o metal de lítio se acumula nos eletrodos dentro da bateria. Esses dendritos degradam o desempenho da bateria e, em última análise, levam a falhas que, em alguns casos, podem até provocar incêndios perigosamente.

O novo estudo abordou esse problema dendrítico de uma perspectiva teórica. Conforme descrito no artigo, publicado no Journal of The Electrochemical Society, os pesquisadores de Stanford desenvolveram um modelo matemático que reúne a física e a química envolvidas na formação de dendritos.

Este modelo ofereceu a ideia de que a troca de novos eletrólitos – o meio através do qual os íons de lítio viajam entre os dois eletrodos dentro de uma bateria – com certas propriedades poderia retardar ou até interromper completamente o crescimento de dendritos.

“O objetivo do nosso estudo é ajudar a orientar o projeto de baterias de metal de lítio com vida útil mais longa”, disse o principal autor do estudo, Weiyu Li, estudante de doutorado em engenharia de recursos energéticos, co-orientado pelos professores Daniel Tartakovsky e Hamdi Tchelepi. “Nossa estrutura matemática leva em conta os principais processos químicos e físicos em baterias de metal de lítio na escala apropriada.”

“Este estudo fornece alguns detalhes específicos sobre as condições sob as quais os dendritos podem se formar, bem como possíveis caminhos para suprimir seu crescimento”, disse o coautor do estudo, Tchelepi, professor de engenharia de recursos energéticos na Escola de Terra, Energia e Energia de Stanford. Ciências Ambientais (Stanford Earth).

Os experimentalistas há muito se esforçam para compreender os fatores que levam à formação de dendritos, mas o trabalho de laboratório é trabalhoso e os resultados têm se mostrado difíceis de interpretar. Reconhecendo este desafio, os pesquisadores desenvolveram uma representação matemática dos campos elétricos internos das baterias e do transporte de íons de lítio através do material eletrolítico, juntamente com outros mecanismos relevantes.

Com os resultados do estudo em mãos, os experimentalistas podem se concentrar em combinações fisicamente plausíveis de materiais e arquitetura. “A nossa esperança é que outros investigadores possam usar esta orientação do nosso estudo para conceber dispositivos que tenham as propriedades corretas e reduzam a gama de variações experimentais de tentativa e erro que têm de fazer no laboratório”, disse Tchelepi.

Especificamente, as novas estratégias para o projeto de eletrólitos exigidas pelo estudo incluem a busca de materiais anisotrópicos, o que significa que exibem propriedades diferentes em direções diferentes. Um exemplo clássico de material anisotrópico é a madeira, que é mais forte na direção da fibra, visível como linhas na madeira, versus contra a fibra. No caso de eletrólitos anisotrópicos, esses materiais poderiam ajustar a complexa interação entre o transporte de íons e a química interfacial, impedindo o acúmulo que prossegue a formação de dendritos. Alguns cristais líquidos e géis apresentam essas características desejadas, sugerem os pesquisadores.

Outra abordagem identificada pelo estudo centra-se nos separadores de bateria – membranas que evitam que os eletrodos nas extremidades opostas da bateria se toquem e entrem em curto-circuito. Novos tipos de separadores poderiam ser projetados com poros que fazem com que os íons de lítio passem para frente e para trás através do eletrólito de maneira anisotrópica.

A equipe espera ver outros investigadores científicos acompanharem as “pistas” identificadas em seu estudo. Os próximos passos envolverão a fabricação de dispositivos reais que dependem de novas formulações experimentais de eletrólitos e arquiteturas de baterias e, em seguida, testar quais podem ser eficazes, escalonáveis ​​e econômicos.