Os pesquisadores descobriram um oxifluoreto do tipo pirocloro como um condutor estável de íons de lítio com excelente condutividade, adequado para uso como eletrólitos sólidos em baterias de íons de lítio totalmente em estado sólido. Crédito: scalespeeder de Openverso
Os cientistas identificaram um condutor de íons de lítio estável e altamente condutor que pode ser usado como eletrólitos sólidos em baterias de íons de lítio de estado sólido.
As baterias de íon-lítio de estado sólido, que usam eletrólitos sólidos, não são inflamáveis e apresentam maior densidade de energia e números de transferência de íons em comparação com suas contrapartes de eletrólito líquido. Estas características posicionam-nas como potenciais substitutos em mercados dominados pelas tradicionais baterias de eletrólito líquido, incluindo veículos elétricos. Apesar destes benefícios, os eletrólitos sólidos apresentam desvantagens como menor condutividade de íons de lítio e dificuldades em manter contato suficiente entre os eletrodos e o eletrólito sólido.
Embora os eletrólitos sólidos à base de sulfeto sejam condutores, eles reagem com a umidade para formar dissulfeto de hidrogênio tóxico. Portanto, há uma necessidade de eletrólitos sólidos sem sulfeto que sejam condutores e estáveis no ar para produzir baterias de íons de lítio de estado sólido seguras, de alto desempenho e de carregamento rápido.
Em um estudo recente publicado na revista Química de Materiaisuma equipe de pesquisa liderada pelo professor Kenjiro Fujimoto, professor Akihisa Aimi da Universidade de Ciências de Tóquio e Dr. Shuhei Yoshida da DENSO CORPORATION, descobriu um condutor de íons de lítio estável e altamente condutor na forma de um oxifluoreto do tipo pirocloro.
De acordo com o professor Fujimoto, “Fazer baterias secundárias de íons de lítio totalmente em estado sólido tem sido um sonho antigo de muitos pesquisadores de baterias. Descobrimos um eletrólito sólido de óxido que é um componente chave de baterias de íon-lítio totalmente em estado sólido, que possuem alta densidade de energia e segurança. Além de ser estável ao ar, o material exibe maior condutividade iônica do que os eletrólitos sólidos de óxido relatados anteriormente.”
Análise detalhada e desempenho
O oxifluoreto do tipo pirocloro estudado neste trabalho pode ser denotado como Li2-xO(1+x)/3M2Ó6F (M = Nb, Ta). Foi submetido a análise estrutural e composicional utilizando diversas técnicas, incluindo difração de raios X, análise de Rietveld, acoplamento indutivo plasma espectrometria de emissão óptica e difração de elétrons de área selecionada. Especificamente, Li1,25O0,58N.º2Ó6F foi desenvolvido, demonstrando uma condutividade iônica em massa de 7,0 mS cm⁻¹ e uma condutividade iônica total de 3,9 mS cm⁻¹ à temperatura ambiente. Verificou-se que era superior à condutividade de íons de lítio de eletrólitos sólidos de óxido conhecidos. A energia de ativação da condução iônica deste material é extremamente baixa, e a condutividade iônica deste material em baixas temperaturas é uma das mais altas entre os eletrólitos sólidos conhecidos, incluindo materiais à base de sulfeto.
Exatamente, mesmo a –10°C, o novo material tem a mesma condutividade que os eletrólitos sólidos convencionais à base de óxido à temperatura ambiente. Além disso, como também foi verificada condutividade acima de 100 °C, a faixa de operação deste eletrólito sólido é de –10 °C a 100 °C. As baterias convencionais de íons de lítio não podem ser usadas em temperaturas abaixo de zero. Portanto, as condições de operação das baterias de íons de lítio para telefones celulares comumente usados são de 0 °C a 45 °C.
O mecanismo de condução de íons de lítio neste material foi investigado. O caminho de condução da estrutura do tipo pirocloro cobre os íons F localizados nos túneis criados por MÓ6 octaedro. O mecanismo de condução é o movimento sequencial dos íons de lítio enquanto muda as ligações com os íons F. Os íons Li se movem para a posição Li mais próxima, sempre passando por posições metaestáveis. Imóvel La3+ ligado ao íon F inibe a condução do íon Li, bloqueando o caminho de condução e desaparecendo as posições metaestáveis circundantes.
Ao contrário das baterias secundárias de íons de lítio existentes, todas as baterias de estado sólido baseadas em óxido não apresentam risco de vazamento de eletrólito devido a danos e nenhum risco de geração de gás tóxico como acontece com as baterias à base de sulfeto. Portanto, espera-se que esta nova inovação conduza pesquisas futuras. “O material recém-descoberto é seguro e apresenta maior condutividade iônica do que os eletrólitos sólidos à base de óxido relatados anteriormente. A aplicação desse material é promissora para o desenvolvimento de baterias revolucionárias que possam operar em uma ampla faixa de temperaturas, de baixas a altas”, prevê o Prof. Fujimoto. “Acreditamos que o desempenho exigido para aplicação de eletrólitos sólidos em veículos elétricos está satisfeito.”
Notavelmente, o novo material é altamente estável e não pegará fogo se for danificado. É adequado para aviões e outros locais onde a segurança é crítica. Também é adequado para aplicações de alta capacidade, como veículos elétricos, porque pode ser usado sob altas temperaturas e suporta recarga rápida. Além disso, é também um material promissor para a miniaturização de baterias, eletrodomésticos e dispositivos médicos.
Em resumo, os pesquisadores não apenas descobriram um condutor de íons de lítio com alta condutividade e estabilidade ao ar, mas também introduziram um novo tipo de condutor superiônico com um oxifluoreto do tipo pirocloro. Explorar a estrutura local em torno do lítio, suas mudanças dinâmicas durante a condução e seu potencial como eletrólitos sólidos para baterias totalmente de estado sólido são áreas importantes para pesquisas futuras!
Referência: “Alta condutividade de íons de lítio em eletrólito sólido do tipo pirocloro Li2 – xLa (1 + x) / 3M2O6F (M = Nb, Ta)” por Akihisa Aimi, Hitoshi Onodera, Yuta Shimonishi, Kenjiro Fujimoto e Shuhei Yoshida, 28 de março 2024, Química de Materiais.
DOI: 10.1021/acs.chemmater.3c03288
