O papel do recozimento na melhoria do desempenho da bateria de lítio de estado sólido

As baterias de lítio totalmente em estado sólido tornaram-se a nova moda na ciência e engenharia de materiais, pois as baterias convencionais de íon-lítio não podem mais atender aos padrões de tecnologias avançadas, como veículos elétricos, que exigem altas densidades de energia, carregamento rápido e ciclo longo vidas. As baterias totalmente em estado sólido, que usam um eletrólito sólido em vez de um eletrólito líquido encontrado nas baterias tradicionais, não apenas atendem a esses padrões, mas são comparativamente mais seguras e convenientes, pois têm a possibilidade de carregar em um curto período de tempo.

No entanto, o eletrólito sólido vem com seu próprio desafio. Acontece que a interface entre o eletrodo positivo e o eletrólito sólido apresenta uma grande resistência elétrica cuja origem não é bem compreendida. Além disso, a resistência aumenta quando a superfície do eletrodo é exposta ao ar, degradando a capacidade e o desempenho da bateria. Embora várias tentativas tenham sido feitas para diminuir a resistência, nenhuma conseguiu baixá-la para 10 Ω cm² (ohm centímetro quadrado), o valor de resistência da interface relatado quando não exposto ao ar.

Agora, em um estudo recente publicado na Materiais e interfaces aplicados ACS, uma equipe de pesquisa liderada pelo Prof. Taro Hitosugi do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), Japão, e Shigeru Kobayashi, um estudante de doutorado da Tokyo Tech, pode ter finalmente resolvido esse problema. Ao estabelecer uma estratégia para restaurar a baixa resistência da interface, bem como desvendar o mecanismo subjacente a essa redução, a equipe forneceu informações valiosas sobre a fabricação de baterias totalmente em estado sólido de alto desempenho. O estudo foi resultado de uma pesquisa conjunta da Tokyo Tech, do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada (AIST) e da Universidade de Yamagata.

Para começar, a equipe preparou baterias de filme fino compostas por um eletrodo negativo de lítio, um LiCoO₂ eletrodo positivo e um Li₃PO₄ eletrólito sólido. Antes de concluir a fabricação de uma bateria, a equipe expôs o LiCoO₂ superfície para o ar, nitrogênio (N₂), oxigênio (O₂), dióxido de carbono (CO₂), hidrogênio (H₂) e vapor de água (H₂O) por 30 minutos.

Para sua surpresa, eles descobriram que a exposição ao N₂O₂CO₂e H₂, não degradou o desempenho da bateria em comparação com uma bateria não exposta. “Apenas H₂O vapor degrada fortemente o Li₃PO₄ –LiCoO₂ interface e aumenta sua resistência drasticamente para um valor mais de 10 vezes maior do que a interface não exposta”, diz o Prof. Hitosugi.

Em seguida, a equipe realizou um processo chamado “annealing”, no qual a amostra passou por um tratamento térmico a 150°C por uma hora em forma de bateria, ou seja, com o eletrodo negativo depositado. Surpreendentemente, isso reduziu a resistência para 10.3 Ω cm², comparável ao da bateria não exposta!

Ao realizar simulações numéricas e medições de ponta, a equipe revelou que a redução poderia ser atribuída à remoção espontânea de prótons de dentro do LiCoO₂ estrutura durante o recozimento.

“Nosso estudo mostra que os prótons no LiCoO₂ estrutura desempenham um papel importante no processo de recuperação. Esperamos que a elucidação desses processos microscópicos interfaciais ajude a ampliar o potencial de aplicação de todas as baterias de estado sólido”, conclui o Prof. Hitosugi.