As baterias atuais de íons de lítio evoluíram a partir das baterias de lítio metálico, que nunca chegaram ao mercado devido a preocupações, apesar de seu potencial para armazenar o dobro de energia das baterias de íon-lítio; no entanto, o lítio metálico é propenso a reações químicas rápidas, levando à corrosão e, consequentemente, a riscos de incêndio e explosão durante o processo de deposição em superfícies como eletrodos.
Uma equipe da Universidade da Califórnia de Los Angeles desenvolveu uma técnica que evita a corrosão, revelando que na ausência desse problema, os átomos de lítio adotam uma forma inesperada – um dodecaedro rômbico, uma figura de 12 lados semelhante a dados de RPG. Isso pode abrir caminho para a resolução das limitações da tecnologia original, permitindo aproveitar a maior densidade de energia do lítio metálico.
“Apesar da vasta literatura sobre lítio metálico, a maioria das descrições de sua estrutura é qualitativa, como ‘robusta’ ou ‘semelhante a uma coluna'”, explicou o professor Yuzhang Li. “Foi surpreendente descobrir que, ao evitar a corrosão superficial, observamos um poliedro singular que coincide com previsões teóricas baseadas na estrutura cristalina do metal. No final, essa pesquisa nos permite reavaliar nossa compreensão das baterias de lítio-metal.”
(Foto: Li Lab/UCLA)
A verdadeira configuração do lítio
Em nível microscópico, baterias de íons de lítio armazenam átomos de lítio carregados positivamente em uma estrutura porosa de carbono semelhante a uma gaiola, que reveste um eletrodo. Baterias de lítio metálico, por outro lado, têm todo o eletrodo revestido com lítio metálico, permitindo acomodar até 10 vezes mais lítio no mesmo espaço, o que aumenta o desempenho, mas também traz riscos de incêndio.
O processo de revestimento de lítio metálico depende de uma técnica com mais de 200 anos, usando eletricidade e soluções eletrolíticas. Muitas vezes, o lítio forma filamentos microscópicos ramificados com extremidades pontiagudas. Em baterias, quando dois desses picos se cruzam, ocorre um curto-circuito que pode resultar em explosões. Isso também acontece em menor escala em baterias de íons de lítio atuais, conhecido como dendritos, mas com menor risco.
A descoberta da configuração real do lítio, sem corrosão, sugere que o risco de explosões em baterias de lítio metálico pode ser consideravelmente reduzido, já que os átomos se organizam em uma estrutura ordenada, evitando cruzamentos.
Técnica de prevenção de corrosão
Enquanto a visão convencional sugeria que a escolha dos eletrólitos em solução determinava a forma do lítio na superfície – seja em aglomerados ou colunas – a equipe propôs uma abordagem diferente.
“Queríamos verificar se poderíamos depositar lítio tão rapidamente que ultrapassaríamos a reação que leva à formação do filme de corrosão,” explicou Xintong Yuan, responsável pelos experimentos. “Isso nos permitiria observar como o lítio cresce na ausência desse filme.”
Yuan desenvolveu uma nova técnica para depositar lítio mais rapidamente do que a corrosão ocorre. Isso foi alcançado ao direcionar uma corrente elétrica por um eletrodo muito pequeno, acelerando a saída de eletricidade – de forma semelhante a como bloquear parcialmente a extremidade de uma mangueira de jardim aumenta a pressão da água.
A equipe ajustou a forma do eletrodo minúsculo para evitar a formação das estruturas pontiagudas que causam curtos-circuitos, alcançando um equilíbrio e criando um processo livre de corrosão.
O lítio formou minúsculos dodecaedros – com menos de 2 milionésimos de metro, aproximadamente o tamanho médio de uma única bactéria – em todos os cenários.
O próximo passo envolverá testar a técnica em uma escala maior, produzindo protótipos de novas baterias de lítio metálico e conduzindo extensos testes para confirmar a redução efetiva dos riscos de incêndio e explosão.
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