Equipe empresta conhecimento da indústria de semicondutores para fabricar baterias melhores

Uma técnica de revestimento usada há muito tempo na fabricação de chips de computador pode potencialmente permitir que uma bateria seja carregada muito mais vezes ao longo de sua vida útil e torná-la muito mais fácil de fabricar. Cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) adaptaram com sucesso a técnica para uso com baterias de estado sólido, que são baterias feitas de todos os materiais sólidos.

O estudarpublicado em Materiais avançados, é a primeira demonstração da técnica, conhecida como deposição de camada atômica, na forma de pó de eletrólitos sólidos contendo enxofre. Eletrólitos são materiais que transportam íons (partículas carregadas) entre os dois eletrodos de uma bateria, convertendo energia química em eletricidade.

Um material de estado sólido promissor, mas com desafios

As baterias de estado sólido oferecem várias vantagens potenciais em relação às baterias tradicionais de íons de lítio com eletrólitos líquidos: segurança aprimorada, capacidade de armazenar mais energia por unidade de volume e capacidade de carregar mais vezes ao longo de sua vida útil. Essas vantagens são ideais para baterias de veículos elétricos.

O estudo de Argonne concentrou-se nos argiroditos, uma classe de eletrólitos de estado sólido que contém enxofre. Os argiroditos têm várias vantagens em relação a outros eletrólitos de estado sólido. Eles têm maior condutividade iônica, o que significa que podem transportar íons através de uma bateria mais rapidamente. Isso pode se traduzir em uma taxa de carregamento mais rápida para veículos elétricos. Os argiroditos também são mais fáceis e baratos de processar em pellets que vão para as baterias.

Mas os argiroditas apresentam desafios de produção. Por serem altamente reativos com o ar, podem ser difíceis de manusear em uma planta de produção de baterias. Além disso, eles reagem facilmente com materiais de eletrodo como o lítio metálico. As reações produzem produtos químicos que degradam a qualidade das interfaces eletrólito/eletrodo. As reações também podem retardar o transporte de íons de lítio, diminuir o desempenho da bateria e causar a formação de dendritos. Os dendritos são estruturas de lítio em forma de agulha que tornam as baterias menos seguras e menos duráveis.

Para enfrentar esses desafios, os pesquisadores de Argonne queriam desenvolver um novo método para projetar com precisão a química da superfície da argirodita. Para ser prático, o método precisaria ser fácil de implementar em instalações reais de fabricação de baterias. Eles decidiram adaptar a deposição da camada atômica da indústria de produção de chips. Este método de revestimento envolve o uso de vapores químicos que reagem com a superfície de um material sólido para formar uma película fina.

“A superfície de um eletrólito sólido desempenha um papel crucial na forma como os eletrólitos e os eletrodos interagem em uma bateria”, disse Justin Connell, cientista de materiais de Argonne que lidera o projeto. “Este método nos permite projetar a estrutura da superfície em nível atômico. Acreditamos que esse nível preciso de controle é necessário para otimizar o desempenho das baterias de estado sólido.”

Técnica de revestimento mostrou-se eficaz

A equipe de Argonne usou a deposição de camada atômica para revestir o eletrólito de argirodito em pó. Outros pesquisadores já usaram a técnica para revestir a argirodita depois que a forma de pó é processada em pellets. Mas os investigadores de Argonne reconheceram que tinham de abordar o problema de forma diferente para integrar a deposição de camadas atómicas no fabrico de baterias de estado sólido em grande escala.

“Seria difícil revestir os pellets porque eles são quebradiços”, disse Connell. “Além disso, os pellets precisariam ser revestidos em lotes, e isso aumentaria os custos de fabricação”.

Os pesquisadores aqueceram o pó e o expuseram ao vapor de água e ao trimetil alumínio, produzindo uma fina camada de alumina (óxido de alumínio) em todas as partículas individuais do eletrólito. Na Advanced Photon Source de Argonne, a equipe usou uma técnica de caracterização chamada espectroscopia de absorção de raios X para determinar se o revestimento não perturbava a estrutura química da argirodita subjacente. Esta técnica envolve iluminar o material com intensos feixes de raios X síncrotron e medir a transmissão e absorção dos raios X no material.

No Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne, os pesquisadores usaram duas técnicas para determinar se os revestimentos se adaptavam bem aos contornos das partículas eletrolíticas individuais. A primeira técnica, conhecida como microscopia eletrônica de varredura e transmissão, criou imagens da estrutura do material usando um feixe de elétrons focado.

A segunda técnica, chamada espectroscopia de energia dispersiva de raios X, avaliou os elementos do material. Isso foi feito detectando raios X emitidos pelos elétrons usados ​​na técnica de microscopia eletrônica de transmissão de varredura. Ao se adaptarem bem aos contornos do eletrólito, os revestimentos podem permitir um contato mais uniforme – e íntimo – entre o eletrólito e os eletrodos, o que é essencial para um bom desempenho da bateria.

Os pesquisadores também descobriram que os revestimentos reduziram drasticamente a reatividade do pó com o ar. Isso torna o pó mais fácil de processar em instalações de fabricação em grande escala.

Em seguida, os pesquisadores prensaram os pós revestidos em pellets e incorporaram os pellets em uma célula de bateria em escala de laboratório com um ânodo (eletrodo negativo) feito de metal de lítio. Eles carregaram e descarregaram repetidamente esta bateria, bem como outra bateria feita com eletrólitos não revestidos, comparando seu desempenho.

Vários benefícios do revestimento, incluindo um inesperado

A equipe descobriu que o revestimento diminuiu significativamente a reatividade do eletrólito com o ânodo de lítio. Também reduziu a taxa na qual os elétrons vazam do eletrólito. Isto é importante porque acredita-se que o vazamento de elétrons resulta em reações que formam dendritos.

“Para um desempenho ideal do veículo elétrico, você deseja que os elétrons produzidos pelas reações químicas da bateria – a eletricidade – saiam dos eletrodos e cheguem ao motor do carro”, disse Jeffrey Elam, químico sênior de Argonne e um dos autores do estudo.

A equipe observou um benefício inesperado do revestimento: duplicou a condutividade iônica do eletrólito.

“Como a alumina é um material isolante – que retarda o movimento da carga – não previmos esta melhoria na condutividade”, disse Zachary Hood, cientista de materiais de Argonne e principal autor do estudo.

Juntos, os benefícios do revestimento podem aumentar significativamente o número de vezes que uma bateria de estado sólido pode ser carregada e descarregada antes que seu desempenho comece a degradar.

Os pesquisadores acreditam que o revestimento permite que o eletrólito tenha melhor contato com o ânodo – semelhante à forma como uma gota de água se espalha sobre uma superfície de vidro limpa.

“Achamos que o revestimento está redistribuindo os íons de lítio na superfície do eletrólito e criando mais espaços vazios ao longo da superfície para a passagem dos íons”, disse Peter Zapol, físico de Argonne e um dos autores do estudo. “Esses fatores podem ajudar a explicar a melhoria da condutividade.”

O sucesso do estudo abre uma nova linha de pesquisa. Os cientistas podem usar a técnica de revestimento com diferentes eletrólitos e revestimentos, potencialmente avançando em uma ampla gama de tecnologias de baterias de estado sólido.

Os outros autores do estudo são Anil Mane, Aditya Sundar, Sanja Tepavcevic, Udochukwu Eze, Shiba Adhikari, Eungje Lee e George Sterbinsky.