Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram um novo material catódico para baterias de lítio-enxofre de estado sólido que melhora significativamente sua condutividade elétrica e propriedades de autocura. Este material aborda os principais desafios associados aos cátodos de enxofre, como baixa condutividade eletrônica e danos estruturais durante o uso. A inovação promete duplicar a densidade energética das baterias em veículos eléctricos sem aumentar o peso e prolonga a vida útil da bateria, tornando as baterias de lítio-enxofre de estado sólido uma opção mais viável e amiga do ambiente. Crédito: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
Os pesquisadores deram um passo mais perto de tornar as baterias de estado sólido feitas de lítio e enxofre uma realidade prática. Uma equipe liderada por engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveu um novo material catódico para baterias de lítio-enxofre de estado sólido que é eletricamente condutor e estruturalmente curável – recursos que superam as limitações dos cátodos atuais dessas baterias.
O trabalho foi publicado recentemente na revista Natureza.
As baterias de lítio-enxofre de estado sólido são um tipo de bateria recarregável que consiste em um eletrólito sólido, um ânodo feito de metal de lítio e um cátodo feito de enxofre. Essas baterias são promissoras como uma alternativa superior às atuais baterias de íons de lítio, pois oferecem maior densidade de energia e custos mais baixos. Têm o potencial de armazenar até o dobro da energia por quilograma que as baterias convencionais de iões de lítio – por outras palavras, poderiam duplicar a autonomia dos veículos eléctricos sem aumentar o peso da bateria. Além disso, o uso de materiais abundantes e de fácil obtenção torna-os uma escolha economicamente viável e ecologicamente correta.
Desafios e avanços
No entanto, o desenvolvimento de baterias de estado sólido de lítio-enxofre tem sido historicamente prejudicado pelas características inerentes aos cátodos de enxofre. O enxofre não é apenas um mau condutor de elétrons, mas os cátodos de enxofre também sofrem expansão e contração significativas durante a carga e a descarga, levando a danos estruturais e à diminuição do contato com o eletrólito sólido. Esses problemas diminuem coletivamente a capacidade do cátodo de transferir carga, comprometendo o desempenho geral e a longevidade da bateria de estado sólido.
Para superar esses desafios, uma equipe liderada por pesquisadores do Centro de Energia e Energia Sustentável da UC San Diego desenvolveu um novo material catódico: um cristal composto de enxofre e iodo. Ao inserir moléculas de iodo na estrutura cristalina do enxofre, os pesquisadores aumentaram drasticamente a condutividade elétrica do material catódico em 11 ordens de grandeza, tornando-o 100 bilhões de vezes mais condutivo do que os cristais feitos apenas de enxofre.
O material do cátodo cura derretendo de um pó marrom a um líquido vermelho-púrpura profundo. Crédito: David Baillot/UC San Diego Jacobs School of Engineering
“Estamos muito entusiasmados com a descoberta deste novo material”, disse o co-autor sênior do estudo, Ping Liu, professor de nanoengenharia e diretor do Centro de Energia e Energia Sustentável da UC San Diego. “O aumento drástico da condutividade elétrica no enxofre é uma surpresa e cientificamente muito interessante.”
Além disso, o novo material cristalino possui um baixo ponto de fusão de 65 graus Celsius (149 graus Fahrenheit), que é inferior à temperatura de uma caneca de café quente. Isso significa que o cátodo pode ser facilmente derretido depois que a bateria for carregada para reparar as interfaces danificadas durante o ciclo. Esta é uma característica importante para resolver o dano cumulativo que ocorre na interface sólido-sólido entre o cátodo e o eletrólito durante cargas e descargas repetidas.
“Este cátodo de iodeto de enxofre apresenta um conceito único para gerenciar alguns dos principais impedimentos à comercialização de baterias Li-S”, disse o co-autor sênior do estudo, Shyue Ping Ong, professor de nanoengenharia na Escola de Engenharia UC San Diego Jacobs. “O iodo rompe as ligações intermoleculares que mantêm as moléculas de enxofre unidas na quantidade certa para diminuir seu ponto de fusão até a zona Cachinhos Dourados – acima da temperatura ambiente, mas baixa o suficiente para que o cátodo seja periodicamente curado novamente por meio de fusão.”
“O baixo ponto de fusão do nosso novo material catódico torna possível o reparo das interfaces, uma solução há muito procurada para essas baterias”, disse o coautor do estudo Jianbin Zhou, ex-pesquisador de pós-doutorado em nanoengenharia do grupo de pesquisa de Liu. “Este novo material é uma solução capacitadora para futuras baterias de estado sólido de alta densidade energética.”
O futuro das baterias de estado sólido
Para validar a eficácia do novo material catódico, os pesquisadores construíram uma bateria de teste e a submeteram a repetidos ciclos de carga e descarga. A bateria permaneceu estável por mais de 400 ciclos, mantendo 87% de sua capacidade.
“Esta descoberta tem o potencial de resolver um dos maiores desafios para a introdução de baterias de lítio-enxofre de estado sólido, aumentando drasticamente a vida útil de uma bateria”, disse o co-autor do estudo Christopher Brooks, cientista-chefe do Honda Research Institute USA. “A capacidade de uma bateria se autocurar simplesmente aumentando a temperatura poderia estender significativamente o ciclo de vida total da bateria, criando um caminho potencial para a aplicação no mundo real de baterias de estado sólido.”
A equipe está trabalhando para avançar ainda mais a tecnologia de baterias de lítio-enxofre de estado sólido, melhorando os projetos de engenharia das células e ampliando o formato das células.
“Embora ainda haja muito a ser feito para fornecer uma bateria de estado sólido viável, nosso trabalho é um passo significativo”, disse Liu. “Este trabalho foi possível graças a grandes colaborações entre nossas equipes na UC San Diego e nossos parceiros de pesquisa em laboratórios nacionais, academia e indústria.”
Referência: “Iodeto de enxofre curável e condutor para baterias Li-S de estado sólido” por Jianbin Zhou, Manas Likhit Holekevi Chandrappa, Sha Tan, Shen Wang, Chaoshan Wu, Howie Nguyen, Canhui Wang, Haodong Liu, Sicen Yu, Quin RS Miller , Gayea Hyun, John Holoubek, Junghwa Hong, Yuxuan Xiao, Charles Soulen, Zheng Fan, Eric E. Fullerton, Christopher J. Brooks, Chao Wang, Raphaële J. Clément, Yan Yao, Enyuan Hu, Shyue Ping Ong e Ping Liu, 6 de março de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07101-z
Este trabalho foi apoiado em parte pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada do Departamento de Energia dos EUA (DOE) (DE-AR0000781), pelo Escritório de Ciência do DOE dos EUA (DEAC02-05-CH11231).
