Um material com patente pendente, desenvolvido na Universidade Técnica de Munique (TUM), atingiu a condutividade mais rápida já registrada para íons de lítio e agora está pronto para melhorar significativamente a eficiência de futuras baterias de estado sólido. Baterias de estado sólido, frequentemente vistas como uma alternativa mais segura e com maior densidade energética do que aquelas que dependem de eletrólitos líquidos, geralmente são compostas por cátions de lítio móveis e uma estrutura cristalina rígida de ânions complexos. Para baterias totalmente de estado sólido, a condutividade mais rápida do lítio permite capacidades de carregamento rápido e densidades de potência mais altas.
“As abordagens predominantes para bons condutores de íons de lítio à temperatura ambiente buscavam modificar os ânions complexos usando materiais à base de enxofre, e o material que detém o último recorde [de condução mais rápida] contém enxofre, lítio e cinco elementos adicionais. Nosso conceito de design voltou a explorar compostos mais simples usando apenas lítio e fósforo ou lítio e antimônio”, explica Thomas Fässler, da Cátedra de Química Inorgânica com Foco em Novos Materiais da TUM. A equipe de pesquisa de Fässler descobriu que a adição de alguns cátions de escândio (Sc 3+ ) para substituir íons de lítio selecionados proporcionou o avanço na condutividade que eles buscavam, devido à carga positiva tripla do escândio substituir a carga positiva única do lítio — um íon de escândio de substituição essencialmente “expulsa” mais dois íons de lítio “bônus”, promovendo melhor a mobilidade através do sólido.
“Cada íon de escândio introduz duas vacâncias, ou sítios vazios na rede, para íons de lítio. Essas vacâncias são utilizadas pelos íons de lítio restantes para migrarem através dos sólidos. A introdução dessas vacâncias facilita significativamente o transporte de íons de lítio, aumentando assim a condutividade iônica. Em resumo, o material é mais eficiente, pois contém apenas um elemento adicional (escândio) em vez de cinco”, comenta Fässler. A simplicidade do material de três elementos também pode facilitar a reciclagem de baterias em comparação com aquelas que contêm mais elementos.
Em laboratório, lotes sintéticos de 3 g do novo material foram produzidos usando uma rota convencional de estado sólido por meio de moagem de esferas, seguida de tratamento de alta temperatura e têmpera rápida. “Para a produção em massa, o processo poderia ser ampliado aumentando a capacidade do equipamento de moagem de esferas para produzir maiores quantidades da mistura reativa, que pode então ser tratada termicamente para obter o material desejado”, observa Fässler.
Os próximos passos serão construir diversas configurações de células para validar o desempenho do ciclo e as janelas de estabilidade eletroquímica. A partir disso, células de formato maior, como bolsas de bateria, serão criadas para avaliar melhor o desempenho da bateria em condições mais análogas às aplicações do mundo real.
