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Cientistas desenvolveram uma abordagem inovadora para melhorar todas as baterias de lítio de estado sólido. Este novo método envolve o uso de um material exclusivo que elimina a necessidade de aditivos extras, aumentando tanto a densidade de energia da bateria quanto sua vida útil. O novo material mostra um desempenho impressionante, permitindo que as baterias operem por mais de 20.000 ciclos com alta eficiência energética.
Uma nova estratégia para baterias de lítio totalmente de estado sólido aumenta a densidade de energia e estende a vida útil usando um material especial que elimina a necessidade de aditivos adicionais. Esse avanço promete mais de 20.000 ciclos de operação eficiente, marcando um passo significativo à frente na tecnologia de baterias.
Uma estratégia inovadora de homogeneização de cátodo para baterias de lítio de estado sólido (ASLBs) foi introduzida por pesquisadores do Instituto de Bioenergia e Tecnologia de Bioprocessos de Qingdao (QIBEBT) da Academia Chinesa de Ciências, juntamente com colaboradores de importantes instituições internacionais.
Esta nova abordagem, detalhada no seu artigo publicado hoje (31 de julho) em Energia da Naturezamelhora significativamente o ciclo de vida e a densidade energética dos ASLBs, representando um avanço importante na tecnologia de armazenamento de energia.
Desafios nos ASLBs atuais
ASLBs atuais enfrentam desafios devido a cátodos compostos heterogêneos, que exigem aditivos eletroquimicamente inativos para melhorar a condução. Esses aditivos, embora necessários, reduzem a densidade de energia e o ciclo de vida das baterias devido à sua incompatibilidade com os cátodos de óxido em camadas, que sofrem mudanças substanciais de volume durante a operação.
Os pesquisadores desenvolveram uma solução: uma estratégia de homogeneização de cátodo utilizando um material de deformação zero, Li1,75Você2(Ge0,25P0,75S3.8Se0,2)3 (LTG0,25PSSe0,2). Este material apresenta excelente condutividade iônica e eletrônica mista, garantindo transporte de carga eficiente durante todo o processo de (des)descarga sem a necessidade de aditivos condutores adicionais.
O LTG0,25PSSe0,2 o material mostra métricas de desempenho impressionantes, incluindo uma capacidade específica de 250 mAh g-1 e mudança mínima de volume de apenas 1,2%. Um cátodo homogêneo feito inteiramente de LTG0,25PSSe0,2 permite que ASLBs em temperatura ambiente alcancem mais de 20.000 ciclos de operação estável e uma alta densidade de energia de 390 Wh kg−1 no nível celular.
Ilustração esquemática da evolução da microestrutura do cátodo durante o carregamento. (a) Cátodo composto heterogêneo convencional e (b) o cátodo homogêneo proposto com condução mista eficiente. Crédito: QIBEBT
Insights de especialistas sobre a nova abordagem
“Nossa estratégia de homogeneização de cátodo desafia o design convencional de cátodo heterogêneo”, disse o Dr. Longfei Cui, coautor do estudo do Solid Energy System Technology Center (SERGY) no QIBEBT. “Ao eliminar a necessidade de aditivos inativos, aumentamos a densidade de energia e estendemos o ciclo de vida da bateria.”
“Essa abordagem é um divisor de águas para ASLBs”, observou o Dr. Shu Zhang, coautor do estudo da SERGY. “A combinação de alta densidade de energia e ciclo de vida estendido abre novas possibilidades para o futuro do armazenamento de energia.”
O Prof. Jiangwei Ju, coautor correspondente do estudo da SERGY, acrescentou: “A estabilidade e as métricas de desempenho do material são impressionantes, tornando-o um forte candidato para aplicações comerciais em veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia em larga escala”.
Este avanço é apoiado por testes extensivos e cálculos teóricos. Essas análises confirmam a estabilidade eletroquímica e mecânica dos cátodos homogêneos, não mostrando reações químicas adversas ou aumentos significativos de resistência após ciclagem prolongada.
Implicações mais amplas para o armazenamento de energia
Além das ASLBs, outros tipos de bateria, incluindo baterias de sódio de estado sólido, baterias de íons de lítio, baterias de lítio-enxofre, baterias de íons de sódio e células de combustível, também enfrentam desafios com eletrodos heterogêneos. Esses sistemas geralmente sofrem de incompatibilidades mecanoquímicas e eletroquímicas, criando gargalos significativos e degradando o desempenho geral da bateria.
“O potencial de comercialização para ASLBs de alta densidade energética agora é mais atingível”, acrescentou o Prof. Guanglei Cui, chefe da SERGY. “Nossa estratégia universal para projetar cátodos homogêneos multifuncionais pode superar as barreiras de energia, potência e tempo de vida no armazenamento de energia, abrindo caminho para aplicações no mundo real.”
Marco significativo na tecnologia de baterias
Ao abordar os principais desafios em ASLBs, esta estratégia estabelece uma base para futuras inovações em tecnologia de armazenamento de energia. A equipe planeja explorar ainda mais a escalabilidade do LTG0,25PSSe0,2 material e sua integração em sistemas práticos de baterias.
Este trabalho representa um marco significativo na tecnologia de baterias e oferece uma perspectiva promissora para avanços futuros. Espera-se que a abordagem inovadora da equipe influencie futuras pesquisas e desenvolvimentos no campo de armazenamento de energia, fornecendo uma base sólida para a próxima geração de baterias de alto desempenho.
Referência: “Uma estratégia de homogeneização de cátodo para habilitar baterias de lítio de estado sólido de longa duração” 31 de julho de 2024, Energia da Natureza.
DOI: 10.1038/s41560-024-01596-6