Conceitos inovadores de eletrólito de estado sólido podem transformar o setor de baterias

por Tatsuya Nakamura
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solid-state electrolyte

As inovações na tecnologia de baterias foram marcadas pela criação de um novo eletrólito sólido à base de cloreto por cientistas, melhorando a condutividade iônica, a segurança e a acessibilidade, revolucionando potencialmente a indústria de baterias e aumentando seu apelo comercial.

Avanços em eletrólitos de estado sólido de cloreto metálico de lítio por pesquisadores.

Uma equipe sob a orientação do professor Kang Kisuk do Centro de Pesquisa de Nanopartículas do Instituto de Ciências Básicas (IBS) revelou um avanço significativo no domínio das baterias de estado sólido. Eles identificaram um eletrólito sólido à base de cloreto com excelente condutividade iônica, uma descoberta que deverá levar à criação de baterias mais eficazes.

O imperativo para eletrólitos sólidos

As atuais baterias comerciais, que dependem de eletrólitos líquidos, apresentam problemas de inflamabilidade e potenciais riscos de explosão. Conseqüentemente, o desenvolvimento de eletrólitos sólidos não inflamáveis é crucial para o progresso da tecnologia de baterias de estado sólido. No meio de uma transição global para transportes sustentáveis e da regulamentação iminente dos motores de combustão interna a favor dos veículos eléctricos, a investigação intensificada sobre componentes vitais de baterias secundárias, especialmente variantes de estado sólido, está a aumentar.

A distribuição espacial dos íons metálicos (ítrio, neste caso) dentro das camadas afeta a condutividade iônica. Para o trânsito desimpedido dos íons de lítio, é necessário que a ocupação dos íons metálicos dentro de cada camada não ultrapasse 0,444. Além disso, o caminho para os íons de lítio dentro de cada camada exige que a ocupação dos íons metálicos seja de pelo menos 0,167. Assim, uma taxa de ocupação de íons metálicos entre 0,167 e 0,444 em cada camada é fundamental para alcançar uma camada altamente condutiva. Crédito: Instituto de Ciências Básicas

Para que as baterias de estado sólido sejam viáveis para uso regular, o desenvolvimento de materiais que possuam alta condutividade iônica, estabilidade química e eletroquímica substancial e versatilidade mecânica é essencial. Embora pesquisas anteriores tenham produzido eletrólitos sólidos à base de sulfeto e óxido com condutância iônica considerável, eles não atenderam a todos esses critérios críticos.

Progresso em eletrólitos sólidos à base de cloreto

Historicamente, eletrólitos sólidos à base de cloreto, reconhecidos por sua excepcional condutividade iônica, flexibilidade mecânica e estabilidade de alta tensão, têm sido pesquisados. Esses atributos levaram alguns pesquisadores a considerá-los os pioneiros em aplicações de baterias de estado sólido. No entanto, o entusiasmo inicial diminuiu à medida que a dependência das baterias de cloreto de metais de terras raras dispendiosos, como ítrio, escândio e elementos lantanídeos, para componentes secundários, foi considerada impraticável.

Enfrentando esses desafios, a equipe de pesquisa do IBS examinou a distribuição de íons metálicos em eletrólitos de cloreto. Eles levantaram a hipótese de que a variação no arranjo dos íons metálicos poderia influenciar a condutância iônica dos eletrólitos de cloreto trigonal.

Sua hipótese foi testada em cloreto de ítrio e lítio, um composto predominante de cloreto metálico de lítio. A colocação de íons metálicos ao longo do caminho dos íons de lítio criou obstáculos eletrostáticos que obstruíram seu fluxo. Pelo contrário, se a ocupação dos iões metálicos fosse mínima, a rota dos iões de lítio tornava-se demasiado estreita, dificultando o seu movimento.

Aproveitando essas descobertas, a equipe empregou estratégias para projetar eletrólitos que navegam nessas obstruções, culminando na elaboração de um eletrólito sólido com maior condutividade iônica. Eles validaram ainda mais sua abordagem desenvolvendo uma bateria de estado sólido de cloreto metálico de lítio com zircônio, uma alternativa mais acessível às opções baseadas em metais de terras raras, marcando a primeira vez que a importância da colocação de íons metálicos na condutividade iônica de um material foi demonstrada .

A consequência da colocação de íons metálicos

Esta pesquisa ressalta o impacto crítico, embora muitas vezes subestimado, da distribuição de íons metálicos na condutividade iônica de eletrólitos sólidos à base de cloreto. Prevê-se que este avanço no Centro IBS iniciará o desenvolvimento de uma gama de eletrólitos sólidos à base de cloreto, acelerando assim a comercialização de baterias de estado sólido, sinalizando um futuro de soluções de armazenamento de energia mais seguras e económicas.

O autor principal, Kang Kisuk, afirma: “O eletrólito sólido à base de cloreto que descobrimos está preparado para superar as barreiras apresentadas pelos eletrólitos sólidos tradicionais à base de sulfeto e óxido, aproximando-nos da ampla implementação de baterias de estado sólido. ”

Referência: “Projeto de um condutor superiônico de haleto trigonal regulando a desordem da ordem de cátions” por Seungju Yu, Joohyeon Noh, Byunghoon Kim, Jun-Hyuk Song, Kyungbae Oh, Jaekyun Yoo, Sunyoung Lee, Sung-O Park, Wonju Kim, Byungwook Kang, Donghyun Kil e Kisuk Kang, 2 de novembro de 2023, Ciência.
DOI: 10.1126/science.adg6591

A pesquisa recebeu financiamento do Instituto de Ciências Básicas.

Perguntas frequentes (FAQs) sobre eletrólito de estado sólido

Qual é o significado do novo eletrólito sólido à base de cloreto?

O recém-desenvolvido eletrólito sólido à base de cloreto é significativo porque promete aumentar a condutividade iônica, melhorar a segurança e reduzir os custos associados às baterias de estado sólido, transformando potencialmente a indústria de baterias e seu cenário comercial.

Como o novo eletrólito sólido melhora a segurança da bateria?

Ao substituir os eletrólitos líquidos inflamáveis por uma alternativa sólida não combustível, o novo eletrólito reduz o risco de incêndios e explosões, melhorando significativamente a segurança das baterias.

O que torna os eletrólitos sólidos à base de cloreto superiores a outros tipos?

Eletrólitos sólidos à base de cloreto são conhecidos por sua alta condutividade iônica, flexibilidade mecânica e estabilidade em altas tensões, o que os torna fortes candidatos para aplicações em baterias de estado sólido.

Por que as baterias de estado sólido são importantes para veículos elétricos?

As baterias de estado sólido são importantes para os veículos elétricos porque oferecem maior densidade de energia, maior segurança e maior vida útil em comparação com as baterias convencionais, o que pode levar a maiores autonomias de condução e tempos de carregamento mais rápidos.

Qual foi o papel da distribuição de íons metálicos nesta pesquisa?

Descobriu-se que a distribuição de íons metálicos dentro do eletrólito sólido afeta criticamente a condutividade iônica. A pesquisa indicou que uma faixa ideal de ocupação de íons metálicos dentro das camadas eletrolíticas é essencial para maximizar a condutividade.

Você pode explicar as taxas de ocupação de íons metálicos mencionadas no estudo?

O estudo descobriu que para manter a alta condutividade iônica, a taxa de ocupação de íons metálicos dentro das camadas eletrolíticas deveria ser superior a 0,167, mas inferior a 0,444. As taxas dentro desta faixa garantem um equilíbrio entre largura de caminho suficiente e obstrução mínima para íons de lítio.

O que o futuro reserva para este eletrólito sólido à base de cloreto?

Espera-se que a descoberta deste eletrólito sólido à base de cloreto leve ao desenvolvimento de uma variedade de eletrólitos à base de cloreto e promova a comercialização de baterias de estado sólido, aumentando a acessibilidade e a segurança no armazenamento de energia.

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5 comentários

Alex Smith Novembro 5, 2023 - 2:15 pm

então estamos falando de baterias mais baratas e seguras por causa desse novo design, parece bom, mas será que será realmente acessível para pessoas comuns como nós?

Responder
Emma Brown Novembro 5, 2023 - 3:48 pm

devo dizer que estou impressionado com o progresso da pesquisa, a alta condutividade iônica pode ser uma virada de jogo para EVs, o artigo mencionou algo sobre distribuição de íons… preciso olhar mais para isso

Responder
Raquel Verde Novembro 5, 2023 - 5:50 pm

não tinha certeza de quais eram as taxas de ocupação de íons metálicos, mas parece importante para a eficiência da bateria. Acho que tem a ver com o quão bem a bateria pode armazenar e transferir energia.

Responder
John Doe Novembro 6, 2023 - 12:54 am

acabei de ler sobre a nova tecnologia de bateria usando cloreto, isso é realmente algo certo?, a segurança é um grande problema com todos esses gadgets que carregamos

Responder
Mike Ross Novembro 6, 2023 - 2:28 am

eles mencionaram o zircônio como uma opção mais barata do que os metais de terras raras, é interessante porque ouvi dizer que o zircônio era usado principalmente em joias antes disso

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