Baterias recarregáveis ​​de íon de lítio são usadas para alimentar muitos eletrônicos em nossa vida cotidiana, desde laptops e celulares até carros elétricos.As baterias de íon de lítio disponíveis hoje no mercado normalmente dependem de uma solução líquida, chamada eletrólito, no centro da célula.

Quando a bateria está alimentando um dispositivo, os íons de lítio se movem da extremidade carregada negativamente, ou ânodo, através do eletrólito líquido, até a extremidade carregada positivamente, ou cátodo.Quando a bateria está sendo recarregada, os íons fluem na outra direção, do cátodo, através do eletrólito, até o ânodo.

As baterias de íon de lítio que dependem de eletrólitos líquidos têm um grande problema de segurança: elas podem pegar fogo quando sobrecarregadas ou em curto-circuito.Uma alternativa mais segura aos eletrólitos líquidos é construir uma bateria que utilize um eletrólito sólido para transportar íons de lítio entre o ânodo e o cátodo.

No entanto, estudos anteriores descobriram que um eletrólito sólido causava pequenos crescimentos metálicos, chamados dendritos, que se acumulariam no ânodo enquanto a bateria carregava.Esses dendritos provocam curto-circuito nas baterias em correntes baixas, tornando-as inutilizáveis.

O crescimento dos dendritos começa em pequenas falhas no eletrólito, na fronteira entre o eletrólito e o ânodo.Cientistas na Índia descobriram recentemente uma maneira de retardar o crescimento dos dendritos.Ao adicionar uma fina camada metálica entre o eletrólito e o ânodo, eles podem impedir o crescimento de dendritos no ânodo.

Os cientistas optaram por estudar o alumínio e o tungstênio como possíveis metais para construir essa fina camada metálica.Isso ocorre porque nem o alumínio nem o tungstênio se misturam, ou ligas, com o lítio.Os cientistas acreditavam que isso diminuiria a probabilidade de formação de falhas no lítio.Se o metal escolhido se ligasse ao lítio, pequenas quantidades de lítio poderiam passar para a camada metálica ao longo do tempo.Isso deixaria um tipo de falha chamada vazio no lítio, onde um dendrito poderia se formar.

Para testar a eficácia da camada metálica, foram montados três tipos de baterias: uma com fina camada de alumínio entre o ânodo de lítio e o eletrólito sólido, outra com fina camada de tungstênio e outra sem camada metálica.

Antes de testar as baterias, os cientistas usaram um microscópio de alta potência, chamado microscópio eletrônico de varredura, para observar atentamente a fronteira entre o ânodo e o eletrólito.Eles viram pequenas lacunas e buracos na amostra sem nenhuma camada metálica, observando que essas falhas são locais prováveis ​​para o crescimento de dendritos.Ambas as baterias com camadas de alumínio e tungstênio pareciam lisas e contínuas.

No primeiro experimento, uma corrente elétrica constante passou por cada bateria durante 24 horas.A bateria sem camada metálica entrou em curto-circuito e falhou nas primeiras 9 horas, provavelmente devido ao crescimento de dendritos.Nenhuma bateria com alumínio ou tungstênio falhou neste experimento inicial.

A fim de determinar qual camada de metal foi melhor para impedir o crescimento de dendritos, outro experimento foi realizado apenas nas amostras das camadas de alumínio e tungstênio.Neste experimento, as baterias foram alternadas através de densidades de corrente crescentes, começando na corrente usada no experimento anterior e aumentando uma pequena quantidade a cada etapa.

Acredita-se que a densidade de corrente na qual a bateria entrou em curto-circuito seja a densidade de corrente crítica para o crescimento de dendritos.A bateria com camada de alumínio falhou três vezes a corrente de partida, e a bateria com camada de tungstênio falhou mais de cinco vezes a corrente de partida.Este experimento mostra que o tungstênio superou o alumínio.

Mais uma vez, os cientistas usaram um microscópio eletrônico de varredura para inspecionar a fronteira entre o ânodo e o eletrólito.Eles viram que vazios começaram a se formar na camada metálica em dois terços das densidades críticas de corrente medidas no experimento anterior.No entanto, os vazios não estavam presentes em um terço da densidade de corrente crítica.Isto confirmou que a formação de vazios prossegue o crescimento dos dendritos.

Os cientistas realizaram então cálculos computacionais para compreender como o lítio interage com estes metais, usando o que sabemos sobre como o tungstênio e o alumínio respondem às mudanças de energia e temperatura.Eles demonstraram que as camadas de alumínio realmente têm uma maior probabilidade de desenvolvimento de vazios quando interagem com o lítio.O uso desses cálculos tornaria mais fácil escolher outro tipo de metal para testar no futuro.

Este estudo mostrou que as baterias de eletrólito sólido são mais confiáveis ​​quando uma fina camada metálica é adicionada entre o eletrólito e o ânodo.Os cientistas também demonstraram que a escolha de um metal em detrimento de outro, neste caso o tungstênio em vez do alumínio, poderia fazer com que as baterias durassem ainda mais.Melhorar o desempenho desses tipos de baterias os deixará um passo mais perto de substituir as baterias de eletrólito líquido altamente inflamáveis ​​atualmente disponíveis no mercado.