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Pesquisadores aplicaram a técnica de sinterização a frio para resolver desafios relacionados às altas temperaturas e desenvolver eletrólitos de estado sólido com alta condutividade, melhorando o desempenho das baterias de veículos elétricos
Durante anos, baterias de íons de lítio impulsionaram desde smartphones até veículos elétricos. No entanto, sua dependência de eletrólitos líquidos sempre levantou preocupações sobre a segurança.
A instabilidade dos líquidos pode levar a riscos de incêndio, o que motivou a busca por alternativas mais seguras.
Agora, pesquisadores da Penn State estão apostando em uma solução: os eletrólitos de estado sólido (SSEs).
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Esses novos materiais podem revolucionar o mercado de eletrônicos de consumo e a indústria de veículos elétricos, trazendo maior segurança e confiabilidade.
Baterias de estado sólido: como funcionam?
As baterias de estado sólido se diferenciam das tradicionais de íons de lítio por utilizarem eletrólitos sólidos no lugar de líquidos.
Segundo Hongtao Sun, professor assistente de engenharia industrial e de manufatura da Penn State, a mudança é simples, mas essencial.
“Baterias recarregáveis contêm dois eletrodos internos: um ânodo de um lado e um cátodo do outro”, explicou Sun. “Os eletrólitos servem como uma ponte entre esses dois eletrodos, proporcionando transporte rápido para condutividade. As baterias de íons de lítio usam eletrólitos líquidos, enquanto baterias de estado sólido usam SSEs.”
Esses novos eletrólitos trazem vantagens importantes. A estabilidade e a segurança são superiores às soluções tradicionais.
Mesmo assim, existem barreiras que ainda impedem a aplicação comercial em larga escala. O principal desafio é garantir que os eletrólitos sólidos sejam produzidos de maneira eficiente e com alta condutividade.
Superando barreiras com a sinterização a frio
Uma grande dificuldade na fabricação dos SSEs está nas altas temperaturas necessárias para processar os materiais cerâmicos. Esse requisito prejudica a eficiência e pode inviabilizar a produção em massa.
Para contornar esse problema, a equipe da Penn State apostou em uma técnica inovadora: a sinterização a frio.
O método combina pressão e uma pequena quantidade de solvente líquido para formar compósitos cerâmico-poliméricos a temperaturas bem mais baixas do que as tradicionais.
“O processo é chamado de ‘frio’ porque opera em temperaturas muito mais baixas do que a sinterização tradicional”, explicou Sun. “Usamos pressão e uma pequena quantidade de solvente líquido para completar o processo, tornando-o muito mais eficiente em termos de energia.”
Essa abordagem viabiliza a criação de compósitos altamente condutores, como o LATP-PILG, melhorando a eficiência das baterias sem comprometer o material.
LATP-PILG: uma inovação no transporte de íons
Os eletrólitos sólidos tradicionais, compostos por grãos policristalinos, enfrentam dificuldades para transportar íons. Essa limitação reduz o desempenho das baterias.
A equipe de Sun superou essa barreira ao combinar cerâmica LATP com um gel líquido poli-iônico (PILG). Esse novo compósito melhora a condução dos íons, utilizando limites projetados e evitando as falhas comuns nas interfaces naturais.
“Um dos desafios de fabricação dos SSEs compósitos baseados em LATP é que a temperatura de sinterização da cerâmica é muito alta, a ponto de queimar quaisquer aditivos, como o composto polimérico, antes que a cerâmica pudesse ser densificada”, explicou Sun. “Por isso, tivemos que implementar a sinterização a frio, para manter as temperaturas muito mais baixas.”
Com esse avanço, foi possível criar um eletrólito sólido que funciona de maneira eficiente em temperatura ambiente, oferecendo uma condutividade iônica superior.
Maior estabilidade e mais energia
Além de melhorar a condução de íons, o novo SSE desenvolvido apresenta uma ampla janela de tensão, algo fundamental para aumentar o desempenho das baterias.
“Além da condutividade aprimorada, nosso SSE de compósito de polímero em cerâmica apresentou uma janela de tensão muito ampla, entre 0 e 5,5 volts”, destacou Sun. “A grande janela de tensão permite o uso de cátodos de alta tensão, permitindo que a bateria gere mais energia no geral.”
Esse ganho em eficiência e energia coloca as baterias de estado sólido como candidatas fortes para substituir as atuais tecnologias em smartphones, veículos elétricos e outras aplicações.
Aplicações além das baterias
O impacto da técnica de sinterização a frio pode ir muito além do setor de baterias. Sun acredita que o método poderá ser usado em outros campos, como na produção de semicondutores, onde materiais compósitos cerâmicos de alta qualidade são altamente valorizados.
Entretanto, a equipe mantém o foco em um objetivo principal: tornar o processo sustentável e aplicável em larga escala.
“Nosso próximo objetivo é desenvolver um sistema de fabricação sustentável que e a produção em larga escala e a reciclabilidade, pois essa será a chave para as aplicações industriais dessa tecnologia”, afirmou Sun. “Essa é a grande visão que esperamos alcançar nos próximos anos.”
A pesquisa foi publicada no periódico Materials Today Energy.
