Em 21 de agosto, o Prof. MA Cheng, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC), e seus colaboradores propuseram uma estratégia eficaz para abordar o problema do contato eletrodo-eletrólito, que está limitando o desenvolvimento de baterias de lítio de estado sólido de próxima geração. O eletrodo composto sólido-sólido criado dessa forma apresentou capacidades e desempenhos de taxa excepcionais.
A substituição do eletrólito líquido orgânico em baterias convencionais de íons de lítio por eletrólitos sólidos pode aliviar significativamente os problemas de segurança e, potencialmente, romper o "teto de vidro" para a melhoria da densidade energética. No entanto, os materiais de eletrodos convencionais também são sólidos. Como o contato entre dois sólidos é quase impossível de ser tão íntimo quanto o entre sólido e líquido, atualmente as baterias baseadas em eletrólitos sólidos geralmente apresentam contato eletrodo-eletrólito ruim e desempenhos de célula completa insatisfatórios.
“O problema do contato eletrodo-eletrólito em baterias de estado sólido é semelhante ao da haste mais curta de um barril de madeira”, disse o Prof. MA Cheng, da USTC, principal autor do estudo. “Na verdade, ao longo dos anos, pesquisadores já desenvolveram muitos eletrodos e eletrólitos sólidos excelentes, mas o contato deficiente entre eles ainda limita a eficiência do transporte de íons de lítio.”
Felizmente, a estratégia da MA pode superar esse desafio formidável. O estudo começou com o exame átomo por átomo de uma fase de impureza em um protótipo de eletrólito sólido com estrutura de perovskita. Embora a estrutura cristalina fosse bastante diferente entre a impureza e o eletrólito sólido, observou-se que eles formavam interfaces epitaxiais. Após uma série de análises estruturais e químicas detalhadas, os pesquisadores descobriram que a fase de impureza é isoestrutural com os eletrodos em camadas ricos em lítio de alta capacidade. Ou seja, um protótipo de eletrólito sólido pode cristalizar no "molde" formado pela estrutura atômica de um eletrodo de alto desempenho, resultando em interfaces atomicamente próximas.
“Isso é realmente uma surpresa”, disse o primeiro autor, LI Fuzhen, atualmente aluno de pós-graduação da USTC. “A presença de impurezas no material é, na verdade, um fenômeno muito comum, tão comum que, na maioria das vezes, passa despercebido. No entanto, após examiná-las atentamente, descobrimos esse comportamento epitaxial inesperado, que inspirou diretamente nossa estratégia para aprimorar o contato sólido-sólido.”
Em comparação com a abordagem de prensagem a frio comumente adotada, a estratégia proposta pelos pesquisadores pode realizar um contato completo e contínuo entre eletrólitos sólidos e eletrodos em escala atômica, conforme refletido na imagem de microscopia eletrônica de resolução atômica. (Fornecido pela equipe de MA.)
Aproveitando o fenômeno observado, os pesquisadores cristalizaram intencionalmente o pó amorfo com a mesma composição do eletrólito sólido estruturado em perovskita na superfície de um composto em camadas rico em lítio, e realizaram com sucesso um contato completo e uniforme entre esses dois materiais sólidos em um eletrodo compósito. Com a questão do contato eletrodo-eletrólito resolvida, esse eletrodo compósito sólido-sólido apresentou uma capacidade de taxa comparável à de um eletrodo compósito sólido-líquido. Mais importante ainda, os pesquisadores também descobriram que esse tipo de contato sólido-sólido epitaxial pode tolerar grandes desajustes de rede e, portanto, a estratégia que eles propuseram também poderia ser aplicável a muitos outros eletrólitos sólidos de perovskita e eletrodos em camadas.
“Este trabalho apontou uma direção que vale a pena perseguir”, disse MA. “Aplicar o princípio aqui levantado a outros materiais importantes pode levar a desempenhos celulares ainda melhores e a uma ciência mais interessante. Estamos ansiosos por isso.”
Os pesquisadores pretendem continuar sua exploração nessa direção e aplicar a estratégia proposta a outros cátodos de alta capacidade e alto potencial.
O estudo foi publicado na Matter, principal periódico da Cell Press, com o título "Contato Atomicamente Íntimo entre Eletrólitos Sólidos e Eletrodos para Baterias de Lítio". O primeiro autor é LI Fuzhen, aluno de pós-graduação da USTC. Os colaboradores do Prof. MA Cheng incluem o Prof. NAN Ce-Wen, da Universidade Tsinghua, e o Dr. ZHOU Lin, do Laboratório Ames.
(Escola de Química e Ciências dos Materiais)
Link do artigo: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Horário da postagem: 03/06/2019