Espera-se que a borracha substitua os materiais tradicionais para se tornar o material chave para a próxima geração de baterias de estado sólido

Para que os veículos elétricos (EVs) se tornem populares, eles precisam de baterias econômicas, mais seguras e duradouras que não explodam ou prejudiquem o meio ambiente durante o uso. Pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia podem ter encontrado uma alternativa promissora às baterias convencionais de íons de lítio:borracha.

Os elastômeros, ou borracha sintética, são amplamente utilizados em produtos de consumo e tecnologias avançadas, como eletrônicos vestíveis e robôs macios, devido às suas propriedades mecânicas superiores. Os pesquisadores descobriram que, quando o material é formulado em uma estrutura 3D, ele atua como uma superestrada para o transporte rápido de íons de lítio, com resistência mecânica superior que permite que as baterias carreguem por mais tempo e vão mais longe. A pesquisa foi realizada em colaboração com o Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coréia e foi publicada na revista Nature.

Em uma bateria de íons de lítio convencional, os íons são movidos por um eletrólito líquido. No entanto, essas baterias são inerentemente instáveis: mesmo o menor dano pode vazar para os eletrólitos, levando a uma explosão ou incêndio. Preocupações de segurança forçaram a indústria a se concentrar em baterias de estado sólido, que podem ser feitas com materiais cerâmicos inorgânicos ou polímeros orgânicos.
"A maioria das indústrias está focada na construção de eletrólitos sólidos inorgânicos. Mas eles são difíceis de fazer, caros e não são ecologicamente corretos", diz Seung Woo Lee, professor associado da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff que fez parte de uma equipe de pesquisa que encontraram um polímero orgânico à base de borracha superior a outros materiais. Eletrólitos de polímeros sólidos continuam a atrair grande interesse devido ao seu baixo custo de fabricação, propriedades não tóxicas e macias. No entanto, eletrólitos de polímeros convencionais não possuem condutividade iônica e estabilidade mecânica suficientes para garantir a operação confiável de baterias de estado sólido.
O novo design 3D traz um salto na densidade de energia e desempenho
Os engenheiros da Georgia Tech usaramborrachaeletrólitos para resolver problemas comuns (transporte lento de íons de lítio e propriedades mecânicas ruins). O principal avanço foi permitir que os materiais formassem fases cristalinas plásticas tridimensionais (3D) interconectadas em uma matriz de borracha robusta. Esta estrutura única traz alta condutividade iônica, excelentes propriedades mecânicas e estabilidade eletroquímica.
O eletrólito de borracha pode ser feito em baixas temperaturas usando um processo de polimerização simples que produz uma interface firme e lisa na superfície do eletrodo. Essas propriedades exclusivas do eletrólito de borracha impedem o crescimento de dendritos de lítio e permitem o movimento mais rápido de íons, permitindo que as baterias de estado sólido operem de forma confiável mesmo em temperatura ambiente.
Borracha, usado em todos os lugares por suas altas propriedades mecânicas, nos permitirá fabricar baterias mais baratas, confiáveis ​​e seguras. Maior condutividade de íons significa que você pode mover mais íons ao mesmo tempo e, aumentando a energia específica e a densidade de energia dessas baterias, você pode aumentar o alcance do veículo elétrico.

Os pesquisadores agora estão trabalhando em maneiras de melhorar o desempenho da bateria, aumentando seu tempo de ciclo e reduzindo o tempo de carregamento por meio de uma melhor condutividade iônica. Até agora, seus esforços resultaram em duas melhorias no desempenho/tempo de ciclo da bateria.

Este trabalho pode melhorar a reputação da Geórgia como um centro de inovação para veículos elétricos. A SK Innovation, uma empresa global de energia e petroquímica, está financiando pesquisas adicionais em materiais eletrolíticos como parte de sua colaboração contínua com o Instituto para construir baterias de estado sólido de próxima geração que são mais seguras e consomem mais energia do que as baterias tradicionais de íons de lítio. A SK Innovation anunciou recentemente a construção de uma nova fábrica de baterias para veículos elétricos em Commerce, na Geórgia, que deverá produzir 21,5 gigawatts-hora de baterias de íons de lítio por ano até 2023.
Todas as baterias de estado sólido podem melhorar muito a quilometragem e a segurança dos veículos elétricos. As empresas de baterias em rápido crescimento, incluindo a SK Innovation, veem a comercialização de baterias totalmente em estado sólido como um divisor de águas para o mercado de veículos elétricos. Kyounghwan Choi, diretor do Next Generation Battery Research Center da SK Innovation, disse: “Há grandes esperanças para a rápida aplicação e comercialização de baterias de estado sólido através do projeto em andamento em colaboração com a SK Innovation e o professor Seung Woo Lee do Georgia Institute de Tecnologia."