Destaque

Uso de filmes ultrafinos em bateriais Li-ion pode melhorar desempenho e durabilidade

Fonte

TU Eindhoven | Universidade Tecnológica de Eindhoven

Data

sábado, 29 janeiro 2022 16:35

Um carro elétrico de grande autonomia, um celular que só precisa ser recarregado uma vez por semana. Não apenas estamos usando cada vez mais baterias, mas também queremos que sejam compactas, capazes de armazenar muita energia e carregar rapidamente. Norah Hornsveld, física e doutoranda da Universidade Tecnológica de Eindhoven (TU Eindhoven), nos Países Baixos, trabalha na compreensão e otimização de camadas de filmes nanométricos para melhorar as baterias recarregáveis de íons de lítio.

As baterias desempenham um papel importante na transição para um mundo sustentável, e é por isso que muitas pesquisas estão focadas em baterias com melhor desempenho, mais seguras, mais leves e mais baratas.

Problemas

As baterias recarregáveis ​​convencionais de íons de lítio (Li-ion) consistem em dois contatos metálicos (os polos positivo e negativo) com dois eletrodos e uma solução salina líquida (eletrólito) no meio. Os íons de lítio podem fluir através do eletrólito para frente e para trás entre os dois eletrodos. “As baterias de íons de lítio têm uma densidade de energia e potência relativamente alta, mas, dada a alta demanda da sociedade, ainda não é alta o suficiente para muitas das aplicações. Outro problema é a segurança. O líquido eletrolítico é inflamável e pode até explodir sob certas condições”, explicou Norah Hornsveld.

De acordo com a pesquisadora, a maioria dos problemas surge na interface entre o eletrodo e o eletrólito líquido. Quando uma bateria é carregada pela primeira vez, uma fase intermediária é criada pelas reações químicas. Essa fase pode se tornar muito espessa e porosa e consumir íons de lítio ativos. Isso limita o desempenho e a durabilidade da bateria.

Algumas nanocamadas de espessura

Neste sentido, Norah Hornsveld realizou pesquisas para desenvolver camadas nanométricas que pudessem ser aplicadas a essa interface para proteger os eletrodos. “É importante que essas camadas sejam muito finas, para que não criem resistência extra na bateria, mas também de forma uniforme para que possam proteger adequadamente os eletrodos”, disse a doutoranda.

Ela usou uma técnica especial, Atomic Layer Deposition (ALD), para desenvolver camadas nanométricas para esse fim. “Usando gases e plasma, podemos desenvolver um filme de uma ou mais camadas atômicas em um reator. Devido à natureza autolimitada da ALD, isso é bem-sucedido de maneira muito controlada. Em todos os lugares, o filme tem a mesma espessura e uma qualidade muito boa”, destacou Norah.

Isso é particularmente interessante para aplicar uma camada uniforme em eletrodos com uma topologia de superfície mais avançada. “Eu observei como você pode influenciar as propriedades dos filmes ultrafinos alterando os parâmetros do processo ALD. Então, conseguimos fazer filmes de diferentes materiais, com propriedades variáveis, como composição, espessura de camada e cristalinidade. Isso é importante para poder adaptar o filme a materiais de eletrodos específicos”, explicou a física Norah.

Bateria de estado sólido

Com os processos desenvolvidos, Norah Hornsveld espera dar mais informações sobre as possibilidades de melhorar a interface da bateria e fornecer uma camada protetora para os eletrodos. Embora sua pesquisa seja fundamental, ela espera que determinados processos possam ser aplicados em larga escala. “Mostramos que mesmo uma pequena mudança – ultrafina neste caso – pode ser uma grande melhoria”

Ela também acha que seu trabalho contribuirá para o desenvolvimento de baterias de próxima geração, como a ‘bateria de estado sólido’. Nesta bateria, o eletrólito é um material sólido ao invés de um líquido, então há menos problemas na interface eletrodo-eletrólito. A bateria de estado sólido é, portanto, mais segura e possui uma densidade de energia mais alta.

“Minha pesquisa sugere que os processos ALD de plasma também podem ser muito interessantes para a fabricação de materiais para baterias, pois oferecem mais liberdade nos parâmetros do processo para ajustar as propriedades das camadas. Além disso, podem ser usados ​​para aplicar uma camada fina uniforme para estruturas 3D”, concluiu Norah Hornsveld.

Norah defendeu sua tese no último dia 26 de janeiro.

Acesse a tese completa (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da TU Eindhoven (em inglês).

Fonte: Barry van der Meer, TU Eindhoven.