Pesquisadores da POSTECH desenvolveram uma bateria inovadora de íons de lítio com micropartículas de silício e eletrólitos de polímero em gel, aumentando significativamente a densidade e estabilidade de energia. Esta inovação aborda os problemas de expansão do silício e pode levar a veículos elétricos com maior vida útil e eficiência da bateria.
Na Consumer Electronics Show (CES) de 2024, o destaque estava nos desenvolvimentos inovadores em IA e saúde. No entanto, a tecnologia da bateria é o divisor de águas no centro destas inovações, permitindo maior eficiência energética. É importante ressaltar que os veículos elétricos são onde esta tecnologia está sendo aplicada com mais intensidade.
Os EVs atuais podem percorrer cerca de 700 km com uma única carga, enquanto os pesquisadores pretendem uma autonomia de bateria de 1.000 km. Os pesquisadores estão explorando fervorosamente o uso de silício, conhecido por sua alta capacidade de armazenamento, como material anódico em baterias de íon-lítio para veículos elétricos. No entanto, apesar do seu potencial, colocar o silício em uso prático continua a ser um puzzle que os investigadores ainda estão a trabalhar arduamente para resolver.
Avanço na tecnologia de baterias à base de silício
Entra em cena o professor Soojin Park, o candidato a doutorado Minjun Je e o Dr. Hye Bin Son do Departamento de Química da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang (POSTECH). Eles decifraram o código, desenvolvendo um sistema de bateria de íon-lítio de alta densidade de energia, de última geração, fácil de usar e de bolso, usando micropartículas de silício e eletrólitos de polímero de gel. Este trabalho foi publicado recentemente na revista Ciência Avançada.
Desafios com o silício como material de bateria
A utilização do silício como material de bateria apresenta desafios: expande-se mais de três vezes durante o carregamento e depois contrai-se de volta ao seu tamanho original durante o descarregamento, afetando significativamente a eficiência da bateria. Utilizando silício de tamanho nanométrico (10-9m) aborda parcialmente a questão, mas o sofisticado processo de produção é complexo e astronomicamente caro, tornando-se uma proposta orçamentária desafiadora.
Formação de ligação covalente entre microsilício e eletrólito em gel por meio de um processo de feixe de elétrons. Crédito: POSTECH
Por outro lado, o silício microdimensionado (10-6m) é extremamente prático em termos de custo e densidade de energia. No entanto, o problema de expansão das partículas maiores de silício torna-se mais pronunciado durante a operação da bateria, impondo limitações ao seu uso como material anódico.
Inovações em eletrólitos de polímero em gel
A equipe de pesquisa aplicou eletrólitos de polímero em gel para desenvolver um sistema de bateria à base de silício econômico, porém estável. O eletrólito dentro de uma bateria de íons de lítio é um componente crucial, facilitando o movimento dos íons entre o cátodo e o ânodo. Ao contrário dos eletrólitos líquidos convencionais, os eletrólitos em gel existem no estado sólido ou em gel, caracterizados por uma estrutura polimérica elástica que possui melhor estabilidade do que seus equivalentes líquidos.
Melhorando o desempenho da bateria com micro silício
A equipe de pesquisa empregou um feixe de elétrons para formar ligações covalentes entre partículas de microsilício e eletrólitos em gel. Essas ligações covalentes servem para dispersar o estresse interno causado pela expansão do volume durante a operação da bateria de íons de lítio, aliviando as mudanças no volume do micro silício e melhorando a estabilidade estrutural.
O resultado foi notável: a bateria apresentou desempenho estável mesmo com micropartículas de silício (5 μm), que eram cem vezes maiores do que aquelas usadas em ânodos tradicionais de nano-silício. Além disso, o sistema eletrolítico de gel de silício desenvolvido pela equipe de pesquisa exibiu condutividade iônica semelhante às baterias convencionais que usam eletrólitos líquidos, com uma melhoria de aproximadamente 40% na densidade de energia. Além disso, o sistema da equipe possui um valor significativo devido ao seu processo de fabricação simples e pronto para aplicação imediata.
O professor Soojin Park enfatizou: “Usamos um ânodo de microsilício, mas temos uma bateria estável. Esta pesquisa nos aproxima de um sistema real de bateria de íons de lítio com alta densidade de energia.”
Referência: “Formulação de ligações covalentes induzidas por feixe de elétrons para ânodo de micropartículas de silício estável e de alta densidade energética” por Minjun Je, Hye Bin Son, Yu-Jin Han, Hangeol Jang, Sungho Kim, Dongjoo kim, Jieun Kang, Jin-Hyeok Jeong, Chihyun Hwang, Gyujin Song, Hyun-Kon Song, Tae Sung Ha e Soojin Park, 17 de janeiro de 2024, Ciência Avançada.
DOI: 10.1002/advs.202305298
Este estudo foi conduzido com o apoio do Programa de Pesquisadores Independentes da Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia.
