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 solucionar o problema de contato eletrodo-eletrólito, que limita 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 de íon-lítio convencionais por eletrólitos sólidos pode aliviar consideravelmente os problemas de segurança e, potencialmente, romper o "teto de vidro" para a melhoria da densidade de energia. No entanto, os materiais de eletrodo mais utilizados também são sólidos. Como o contato entre dois sólidos é praticamente impossível de ser tão íntimo quanto o contato entre um sólido e um líquido, atualmente as baterias baseadas em eletrólitos sólidos geralmente apresentam contato eletrodo-eletrólito deficiente e desempenho insatisfatório da célula completa.
“O problema do contato eletrodo-eletrólito em baterias de estado sólido é um pouco como a aduela mais curta de um barril de madeira”, disse o Prof. MA Cheng da USTC, autor principal do estudo. “Na verdade, ao longo desses anos, os 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 de 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 perovskita. Embora a estrutura cristalina diferisse bastante entre a impureza e o eletrólito sólido, observou-se a formação de 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 sobre o "molde" formado pela estrutura atômica de um eletrodo de alto desempenho, resultando em interfaces atomicamente íntimas.
“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 é ignorada. No entanto, após analisá-las de perto, descobrimos esse comportamento epitaxial inesperado, e isso inspirou diretamente nossa estratégia para melhorar o contato sólido-sólido.”
Em comparação com a abordagem de prensagem a frio comumente adotada, a estratégia proposta pelos pesquisadores permite um contato completo e uniforme entre eletrólitos sólidos e eletrodos em escala atômica, como demonstrado na imagem de microscopia eletrônica de resolução atômica. (Fornecida pela equipe de MA.)
Aproveitando-se do fenômeno observado, os pesquisadores cristalizaram intencionalmente o pó amorfo com a mesma composição do eletrólito sólido com estrutura perovskita na superfície de um composto em camadas rico em lítio, e conseguiram obter um contato completo e uniforme entre esses dois materiais sólidos em um eletrodo composto. Com o problema de contato eletrodo-eletrólito resolvido, esse eletrodo composto sólido-sólido apresentou uma capacidade de taxa comparável até mesmo à de um eletrodo composto sólido-líquido. Mais importante ainda, os pesquisadores também descobriram que esse tipo de contato epitaxial sólido-sólido pode tolerar grandes incompatibilidades de rede cristalina e, portanto, a estratégia proposta também pode ser aplicada a muitos outros eletrólitos sólidos de perovskita e eletrodos em camadas.
“Este trabalho apontou uma direção que vale a pena seguir”, disse MA. “Aplicar o princípio aqui apresentado a outros materiais importantes pode levar a um desempenho celular ainda melhor 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, uma revista de referência da Cell Press, com o título “Contato atomicamente íntimo entre eletrólitos sólidos e eletrodos para baterias de lítio”. O primeiro autor é LI Fuzhen, estudante de pós-graduação da USTC. Os colaboradores do Prof. MA Cheng incluem o Prof. NAN Ce-Wen da Universidade de Tsinghua e o Dr. ZHOU Lin do Laboratório Ames.
(Escola de Química e Ciências dos Materiais)
Link para o artigo: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Data da publicação: 03/06/2019