As baterias recarregáveis ​​de íon-lítio são usadas para alimentar muitos dispositivos eletrônicos do nosso dia a dia, desde laptops e celulares até carros elétricos. As baterias de íon-lítio disponíveis no mercado atualmente geralmente 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, para a extremidade carregada positivamente, ou cátodo. Quando a bateria está sendo recarregada, os íons fluem na direção oposta, do cátodo, através do eletrólito, para o ânodo.

As baterias de íon-lítio que utilizam eletrólitos líquidos apresentam um grande problema de segurança: 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 os íons de lítio entre o ânodo e o cátodo.

No entanto, estudos anteriores descobriram que um eletrólito sólido levava ao crescimento de pequenos aglomerados metálicos, chamados dendritos, que se acumulavam no ânodo durante o carregamento da bateria. Esses dendritos causavam curto-circuito nas baterias com correntes baixas, tornando-as inutilizáveis.

O crescimento de dendritos começa em pequenas falhas no eletrólito, na interface entre o eletrólito e o ânodo. Cientistas na Índia descobriram recentemente uma maneira de retardar o crescimento de dendritos. Ao adicionar uma fina camada metálica entre o eletrólito e o ânodo, eles conseguem impedir que os dendritos cresçam em direção ao ânodo.

Os cientistas optaram por estudar alumínio e tungstênio como possíveis metais para construir essa fina camada metálica. Isso porque nem o alumínio nem o tungstênio se misturam, ou formam ligas, com o lítio. Os cientistas acreditavam que isso diminuiria a probabilidade de formação de defeitos no lítio. Se o metal escolhido formasse uma liga com o lítio, pequenas quantidades de lítio poderiam migrar para a camada metálica ao longo do tempo. Isso deixaria um tipo de defeito chamado vazio no lítio, onde uma dendrita poderia então se formar.

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

Antes de testar as baterias, os cientistas usaram um microscópio de alta potência, chamado microscópio eletrônico de varredura, para observar de perto a interface entre o ânodo e o eletrólito. Eles viram pequenas lacunas e orifícios na amostra sem camada metálica, notando que essas imperfeições provavelmente são locais propícios para o crescimento de dendritos. Tanto as baterias com camadas de alumínio quanto as com camadas de tungstênio apresentaram uma superfície lisa e contínua.

No primeiro experimento, uma corrente elétrica constante foi aplicada a 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 das baterias, com alumínio ou tungstênio, apresentou falha neste experimento inicial.

Para determinar qual camada metálica era mais eficaz na contenção do crescimento de dendritos, outro experimento foi realizado apenas com amostras de alumínio e tungstênio. Nesse experimento, as baterias foram submetidas a ciclos de corrente com densidades crescentes, partindo da corrente utilizada no experimento anterior e aumentando-a ligeiramente 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 uma camada de alumínio falhou com três vezes a corrente inicial, e a bateria com uma camada de tungstênio falhou com mais de cinco vezes a corrente inicial. Este experimento demonstra que o tungstênio apresentou desempenho superior ao alumínio.

Novamente, os cientistas utilizaram um microscópio eletrônico de varredura para inspecionar a interface entre o ânodo e o eletrólito. Eles observaram que vazios começaram a se formar na camada metálica a dois terços da densidade de corrente crítica medida no experimento anterior. No entanto, vazios não estavam presentes a um terço da densidade de corrente crítica. Isso confirmou que a formação de vazios precede o crescimento de dendritos.

Em seguida, os cientistas realizaram cálculos computacionais para entender como o lítio interage com esses metais, usando o que sabemos sobre como o tungstênio e o alumínio reagem a mudanças de energia e temperatura. Eles demonstraram que as camadas de alumínio realmente têm uma maior probabilidade de desenvolver vazios quando interagem com o lítio. O uso desses cálculos facilitaria a escolha de outro tipo de metal para testes futuros.

Este estudo demonstrou 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, pode prolongar ainda mais a vida útil das baterias. A melhoria do desempenho desses tipos de baterias as aproximará da substituição das baterias de eletrólito líquido altamente inflamáveis ​​disponíveis atualmente no mercado.