Investigadores sul-coreanos desenvolvem bateria de estado sólido sem ânodo com apenas 2,77 micrómetros de espessura

A bateria forma o ânodo durante a carga

O estudo, publicado na revista científica Advanced Energy Materials com o título «Pushing Energy Density Limits: Anode-Less Solid-State Battery Integrated With Amorphous Lithium Vanadium Oxide Thin-Film Cathode», centra-se no controlo da deposição de lítio nas baterias de estado sólido. Numa bateria convencional de iões de lítio, o ânodo e o cátodo são distintos, e os iões de lítio deslocam-se entre ambos durante a carga. A nova conceção não inclui uma camada de ânodo convencional quando é fabricada. Durante a primeira carga, o lítio desloca-se do cátodo para o coletor de corrente, formando sobre este uma camada de lítio metálico.

Esta abordagem permite reduzir as dimensões da bateria e aumentar a energia armazenada por unidade de volume. O problema, porém, está na deposição irregular do lítio, que pode provocar perdas de capacidade e curtos-circuitos internos.

Estanho e carbono melhoram a estabilidade da bateria

A solução dos investigadores utiliza um coletor de corrente de cobre ao qual acrescentaram uma camada intermédia ultrafina de estanho e carbono.

O estanho ajuda a iniciar a deposição do lítio, enquanto o carbono contribui para uma distribuição mais uniforme. Isto reduz o risco de formação de estruturas irregulares de lítio durante a carga ou de o lítio ficar eletricamente isolado e deixar de contribuir para o armazenamento de energia. Os investigadores recorreram também à pré-litiação, acrescentando ao sistema uma pequena reserva de lítio para compensar as perdas irreversíveis durante os primeiros ciclos de funcionamento.

O protótipo combina um cátodo de óxido de lítio-vanádio com um eletrólito sólido do tipo LiPON. O cátodo tem aproximadamente 2 micrómetros de espessura, enquanto a célula completa mede 2,77 micrómetros de espessura.

Após 100 ciclos de carga e descarga, a célula atingiu uma densidade energética volumétrica de 235,13 Wh/l. Os ensaios decorreram com uma corrente muito baixa, a uma taxa de carga de 0,01 C.

Densidade energética ainda não é suficiente para veículos elétricos

Embora o resultado demonstre uma nova abordagem ao desenvolvimento de baterias de estado sólido, 235 Wh/l não é um valor excecional à luz dos valores das baterias dos atuais veículos elétricos.

As baterias modernas de iões de lítio podem atingir densidades energéticas de várias centenas de Wh/l ao nível da célula. Por isso, o protótipo da Universidade Dongguk não pode ser considerado um concorrente direto das baterias para veículos elétricos que estão a ser desenvolvidas pela Toyota, pela CATL ou por outros grandes fabricantes de baterias.

O princípio subjacente a esta conceção é mais importante. Uma arquitetura sem ânodo poderá reduzir a utilização de materiais e permitir células de bateria mais compactas no futuro.

No caso do protótipo atual, porém, subsistem dúvidas quanto à durabilidade a longo prazo, à carga com correntes elevadas, aos custos de produção e à adaptação da tecnologia à produção de baterias em grande escala.

A nova abordagem poderá ser particularmente adequada a dispositivos eletrónicos usados no corpo, dispositivos médicos e pequenos sensores, nos quais as dimensões da bateria são muitas vezes mais importantes do que a densidade energética.

Uma linha de investigação importante para a indústria europeia de baterias

Os fabricantes europeus de baterias e os grupos automóveis estão a investir em baterias de estado sólido na esperança de aumentar a autonomia, melhorar a segurança e reduzir a dependência das baterias convencionais de iões de lítio.

O trabalho da Universidade Dongguk mostra, contudo, que o sucesso das baterias de estado sólido não depende apenas de novos eletrólitos. O controlo dos processos nas interfaces dos elétrodos é pelo menos tão importante.

O verdadeiro valor do estudo não está na densidade energética de 235 Wh/l, mas na possibilidade de tornar mais estável uma bateria sem ânodo. Se os investigadores conseguirem aplicar o mesmo princípio a células maiores e com correntes de carga mais elevadas, esta abordagem poderá contribuir para o desenvolvimento de baterias de próxima geração.

Por enquanto, a tecnologia permanece em laboratório. Será necessário um desenvolvimento adicional significativo antes de poder ser utilizada em veículos elétricos.