Laboratório Christian Doppler para Sólidos

Nos últimos anos, pesquisas intensivas foram realizadas em eletrólitos de estado sólido e foram desenvolvidos materiais que possuem uma condutividade iônica semelhante a eletrólitos líquidos. Mas o objetivo em mente sempre foi claro. As baterias com eletrólitos sólidos, como as feitas de cerâmica, atingem densidades de energia e potência imensamente mais altas do que as baterias convencionais de íon-lítio com eletrólito líquido e também seriam à prova de fogo. "As baterias de estado sólido seriam um passo gigantesco em direção à mobilidade elétrica em toda a área", enfatiza Daniel Rettenwander, do Instituto de Química e Tecnologia de Materiais da Universidade de Tecnologia de Graz (TU Graz), na Áustria.

No entanto, a implementação de eletrólitos de estado sólido recém-desenvolvidos em baterias de íon-lítio rapidamente revelou um grande problema, como o pesquisador descreve: "Formam-se altas resistências nas interfaces, que impedem o rápido transporte de íons entre os eletrodos e, portanto, levam a uma perda significativa de desempenho. Na maioria dos casos, os culpados são as interfaces entre o eletrólito de estado sólido e o material do eletrodo e entre as partículas do próprio eletrólito." O novo laboratório Christian Doppler (CD) para baterias de estado sólido liderado por Rettenwander, que foi inaugurado em conjunto com o parceiro da indústria AVL em 12 de novembro de 2020, visa dar um novo impulso aos íons desacelerados.

Para AVL, este CD lab é de grande importância. "Como desenvolvedor de baterias inovadoras, os resultados da pesquisa são extremamente valiosos para o desenvolvimento de futuros módulos de baterias baseados na tecnologia de baterias de estado sólido", enfatiza Volker Hennige, chefe do departamento de baterias da AVL. Assim, a AVL está apoiando o projeto de pesquisa de sete anos junto com o setor público. O orçamento do laboratório de CD com sete colaboradores ronda os dois milhões de euros. A fonte de financiamento público mais importante é o Ministério Federal para Assuntos Digitais e Econômicos (BMDW).

A Dra. Margarete Schramböck, Ministra Federal para Assuntos Digitais e Econômicos, acrescenta: "A cooperação entre empresas e ciência é essencial para encontrar soluções sustentáveis ​​e viáveis ​​para desafios complexos como a crise climática. Particularmente para a Áustria como um local de negócios, a transferência de conhecimento entre empresas e universidades tem um enorme potencial para se manter competitiva internacionalmente através da implementação concreta de resultados de pesquisa por empresas. Por isso, estou muito feliz que o Laboratório Christian Doppler para Baterias de Estado Sólido esteja realizando pesquisas intensivas nos próximos sete anos sobre esta questão econômica e tema socialmente altamente relevante."

O principal problema com as baterias de estado sólido são as heterogeneidades de contato nas várias interfaces. Em taxas de corrente muito altas, isso leva a picos de corrente locais, o que significa que os íons de lítio não têm mais tempo suficiente para se distribuir uniformemente na interface. No caso da interface formada entre o lítio metálico e os eletrólitos sólidos, isso leva à formação de estruturas semelhantes a agulhas, os chamados dendritos, que crescem através do eletrólito e, no pior dos casos, levam a um curto-circuito e ignição de a bateria. A perda de contato devido à mudança de volume do material do cátodo durante os processos de carga e descarga e a decomposição eletroquímica do eletrólito de estado sólido em altas tensões de célula devido à instabilidade termodinâmica são outras razões que atualmente impedem o desenvolvimento de baterias de estado sólido.

Rettenwander e sua equipe se concentram em várias abordagens: "A distribuição de densidade de corrente nas interfaces pode ser homogeneizada, por exemplo, pela introdução de camadas intermediárias com propriedades de transporte de lítio ajustadas com precisão. Além disso, queremos testar métodos de carregamento alternativos, como métodos de carregamento por pulso em vez de corrente contínua para alcançar a deposição homogênea de lítio."

Baterias de estado sólido mais leves fornecem uma densidade de energia mais alta. Uma combinação de eletrólitos à base de cerâmica e polímero pode ser usada para reduzir o peso e, ao mesmo tempo, compensar a perda de contato devido à expansão do material do cátodo durante a carga e descarga. "Este seria o melhor dos dois mundos: a elevada condutividade e estabilidade termodinâmica dos electrólitos cerâmicos combinada com as excelentes propriedades mecânicas e fácil processabilidade dos electrólitos à base de polímeros. No entanto, isto por sua vez cria novas interfaces, nomeadamente entre cerâmica e polímero, que impedem o transporte de íons entre os componentes. Para o transporte suave de íons, são necessárias modificações na superfície para melhorar a ligação entre a cerâmica e o polímero", explica Daniel Rettenwander. Ao desenvolver polímeros adequados e modificar as superfícies de materiais cerâmicos, o CD lab de Rettenwander coopera com o CD-Laboratory for Organocatalysis in Polymerization do colega da TU Graz, Christian Slugovc, bem como com o grupo de trabalho do pesquisador da TU Graz, Gregor Trimmel. Eles recentemente