Pesquisadores das Universidades Friedrich Schiller, na Alemanha, Wayne State University (WSU) e Boston University, ambas nos EUA, criaram um membrana híbrida capaz de dobrar a vida útil de baterias feitas com metal de lítio, contornando o surgimento de dendritos causadores de curto-circuito.
Até agora, o maior problema dessas baterias, que fornecem o dobro de energia quando comparadas às de íons de lítio, era a formação de estruturas parecidas com agulhas sobre o ânodo metálico de lítio. Esses dendritos conseguem perfurar a membrana que separa o ânodo do cátodo e podem provocar danos irreversíveis e até mesmo incendiar a bateria.
"Para testar esse método, nós recarregamos repetidamente as baterias equipadas com nossa membrana separadora híbrida. Mesmo depois de centenas de ciclos de carga e descarga, não detectamos nenhum crescimento dendrítico”, explica o professor Antony George, do Instituto de Física e Química da Universidade Friedrich Schiller e um dos autores do estudo.
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Membrana bidimensional
O dendrito é um acúmulo de cristal de lítio que normalmente começa no ânodo e pode se espalhar por toda a bateria. Ele resulta do carregamento e descarregamento de alta corrente e o seu acréscimo reduz a capacidade do eletrólito disponível na bateria, diminuindo também o seu armazenamento de carga.
Durante esse processo de transferência de energia, os íons de lítio se movem para frente e para trás entre o ânodo e o cátodo, formando uma superfície cristalina que cresce tridimensionalmente onde os átomos se acumulam. Para evitar a formação dos dendritos, os pesquisadores utilizaram membranas bidimensionais, que garantem o transporte homogêneo dos íons.
"Essa membrana extremamente fina é feita de carbono, com os poros tendo um diâmetro de menos de um nanômetro. Essas minúsculas aberturas evitam a nucleação que leva à formação de dendritos. Em vez disso, o lítio é depositado no ânodo como uma película lisa, sem afetar a funcionalidade da bateria”, diz o coautor do estudo, o professor Andrey Turchanin, do Centro de Energia e Química Ambiental da Universidade Friedrich Schiller.
De olho no futuro
As baterias de metal de lítio possuem alta densidade energética e são capazes de aumentar a autonomia de veículos elétricos de forma significativa. Além disso, se forem utilizadas em dispositivos eletrônicos menores, como celulares e computadores portáteis, elas podem garantir menos dependência da tomada e uma vida útil muito maior.
O próximo passo é fazer com que a aplicação da membrana bidimensional seja integrada aos processos de fabricação adotados pela indústria de produtos eletrônicos. Os pesquisadores também pretendem ampliar os estudos, utilizando a mesma técnica na construção de outros tipos de baterias.
"A principal inovação aqui é a estabilização da interface eletrodo/eletrólito com uma membrana ultrafina que não altera o processo de fabricação da bateria atual. A estabilidade dessa interface é fundamental para melhorar a segurança de um sistema eletroquímico e garantir uma célula de energia mais confiável e eficiente", completa o também autor do estudo Leela Mohana Reddy Arava, professor de engenharia mecânica na WSU.
