Baterias de lítio totalmente sólidas

baterias de lítio

Mais tecnologia nas baterias sólidas de lítio!

Usando equipamento especializado, a equipe do MIT fez testes em que eles usaram uma sonda de ponta piramidal para recuar a superfície de um pedaço do material à base de sulfeto. Ao redor do entalhe resultante (visto no centro), foram observadas fissuras no material (indicadas por setas), revelando detalhes de suas propriedades mecânicas.

Pela primeira vez, a equipe de engenheiros do MIT sondou as propriedades mecânicas de um material de eletrólito sólido à base de sulfetos para determinar seu desempenho mecânico quando incorporado em baterias.

A maioria das baterias é composta de duas camadas sólidas, eletroquimicamente ativas chamadas eletrodos, separadas por uma membrana polimérica infundida com um eletrólito líquido ou gel. Mas pesquisas recentes exploraram a possibilidade das baterias serem em todo estado sólido, nas quais o eletrólito líquido (e potencialmente inflamável) seria substituído por um eletrólito sólido, o que poderia aumentar a densidade de energia e a segurança das baterias.

As baterias de lítio-íon forneceram uma solução leve de armazenamento de energia

Isto permitiu a realização de muitos dispositivos high-tech de hoje, de smartphones a carros elétricos. Mas a substituição do eletrólito líquido convencional por um eletrólito sólido nestas baterias pode ter vantagens significativas. Essas baterias de lítio-íon poderiam fornecer ainda maior capacidade de armazenamento de energia. Eles também podem virtualmente eliminar o risco de minúsculas projeções metálicas, chamadas de dendritos, que podem crescer através da camada de eletrólitos e levar a curto-circuitos.

Mas a grande questão a respeito do uso de tais baterias totalmente sólidas é o tipo de tensões mecânicas que podem ocorrer dentro do material eletrolítico à medida que os eletrodos carregam e descarregam repetidamente. Este ciclismo faz os eletrodos inchar e contrair como os íons de lítio passando dentro e fora de sua estrutura cristalina.

Em um eletrólito rígido, essas mudanças dimensionais podem levar a elevadas tensões. Se o eletrólito é também quebradiço, essa mudança constante de dimensões pode levar a fissuras que degradam rapidamente o desempenho da bateria, e poderia até mesmo fornecer canais para danificar dendritos, como fazem em baterias de eletrólito líquido. Mas se o material é resistente à fratura, essas tensões podem ser acomodadas sem rachaduras.

Até agora, porém, a extrema sensibilidade do sulfeto ao ar do laboratório normal representou um desafio para a medição das propriedades mecânicas, incluindo sua tenacidade à fratura. Para contornar este problema, os membros da equipe de pesquisa realizaram os testes mecânicos em um banho de óleo mineral, protegendo a amostra de qualquer interação química com o ar ou a umidade. Usando essa técnica, eles foram capazes de obter medições detalhadas das propriedades mecânicas do sulfeto de condução de lítio, que é considerado um candidato promissor para eletrólitos em todas as baterias de estado sólido.

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Pesquisadores anteriores usaram técnicas de medição acústica, passando ondas sonoras através do material para testar seu comportamento mecânico, mas esse método não quantifica a resistência à fratura. Mas o novo estudo, que usou uma sonda de pontas finas para penetrar no material e monitorar suas respostas, dá uma imagem mais completa das propriedades importantes, incluindo dureza, tenacidade à fratura e módulo de Young (uma medida da capacidade de um material de esticar reversivelmente sob um esforço aplicado).

“A ciclo de vida das baterias Li-ion de última geração é principalmente limitada pela estabilidade química / eletroquímica do eletrólito líquido e como ele interage com os eletrodos”, diz Jeff Sakamoto, professor de engenharia mecânica na Universidade De Michigan, que não estava envolvido neste trabalho. “No entanto, em baterias de estado sólido, degradação mecânica provavelmente irá governar a estabilidade ou durabilidade. Assim, a compreensão das propriedades mecânicas dos eletrólitos de estado sólido é muito importante “, diz ele.

Sakamoto acrescenta que “os ânodos de metal de lítio exibem um aumento significativo de capacidade em comparação com os ânodos de grafite de última geração. Isso poderia traduzir em cerca de 100 por cento de aumento na densidade de energia em comparação com a tecnologia convencional Li-ion. ”

Publicação: Frank P. McGrogan, et al., “Comportamento Ainda Comportamento Mecânico Frágil de Li2S-P2S5 Lítio-Lítio-Conduzindo Eletrólito Sólido”, Advanced Energy Materials, 2017; DOI: 10.1002 / aenm.201602011

Fonte: David L. Chandler, Notícias do MIT

 

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