As baterias desempenham um papel vital na vida diária, desde a alimentação de smartphones até carros elétricos. Apesar da sua importância, as baterias atuais ainda apresentam desvantagens significativas, incluindo o alto custo e o risco de incêndio ou explosão. As baterias totalmente em estado sólido são há muito consideradas uma alternativa mais segura, mas o progresso tem sido lento devido ao desafio de equilibrar segurança, desempenho e economia. Agora, uma equipa de investigação sul-coreana demonstrou que o desempenho da bateria pode ser significativamente melhorado simplesmente através de um design estrutural inteligente, sem depender de metais caros.
Em 7 de janeiro, o KAIST anunciou que uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Dong-Hwa Seo, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais, havia alcançado um avanço. O projeto reúne pesquisadores liderados pelo Professor Sung-Kyun Jung (Universidade Nacional de Seul), Professor Youn-Suk Jung (Universidade Yonsei) e Professor Kyung-Wan Nam (Universidade Dongguk). Juntos, eles desenvolveram uma nova abordagem de design para os principais materiais de baterias de estado sólido que utilizam matérias-primas baratas, mantendo um forte desempenho e reduzindo o risco de incêndio ou explosão.
Por que os eletrólitos sólidos são mais seguros, mas mais difíceis de otimizar
As baterias tradicionais de íons de lítio dependem de eletrólitos líquidos que permitem que os íons de lítio se movam entre os eletrodos. As baterias totalmente de estado sólido substituem esse líquido por um eletrólito sólido, melhorando muito a segurança. No entanto, os iões de lítio movem-se lentamente nos sólidos, e os esforços anteriores para acelerar o seu movimento dependiam frequentemente de metais caros ou de técnicas de fabrico complexas.
Usando a química dos cristais para acelerar o movimento do lítio
Para resolver este problema, os pesquisadores se concentraram em melhorar a forma como os íons de lítio se movem através dos eletrólitos sólidos. Sua estratégia se concentra no uso de “ânions divalentes”, como oxigênio e enxofre. Esses elementos afetam a estrutura cristalina do eletrólito, tornando-se parte de sua estrutura básica, alterando assim a forma como os íons se movem dentro do material.
A equipe aplicou essa ideia a eletrólitos sólidos haleto à base de zircônio (Zr) de baixo custo. Ao introduzir cuidadosamente ânions divalentes, eles conseguiram ajustar com precisão a estrutura interna do material. Essa abordagem, conhecida como “mecanismo de ajuste de quadro”, expande os caminhos disponíveis para os íons de lítio e reduz a energia necessária para movê-los. Como resultado, os íons de lítio podem se mover através de materiais sólidos de forma mais rápida e eficiente.
Ferramentas avançadas identificam melhorias estruturais
Para confirmar se estas mudanças estruturais funcionaram conforme esperado, os investigadores confiaram numa série de métodos analíticos avançados, incluindo:
- Difração de raios X síncrotron de alta energia (XRD síncrotron)
- Análise de funções de distribuição (PDF)
- Espectroscopia de absorção de raios X (XAS)
- Modelagem da teoria do funcional da densidade (DFT) da estrutura eletrônica e difusão
Essas técnicas permitiram à equipe examinar cuidadosamente como a estrutura cristalina muda e como essas mudanças afetam o movimento dos íons de lítio.
Use materiais baratos para melhorar o desempenho
Testes mostraram que a adição de oxigênio ou enxofre ao eletrólito aumenta a mobilidade do íon de lítio de duas a quatro vezes em comparação com os eletrólitos tradicionais à base de zircônio. Esta melhoria mostra que as baterias de estado sólido podem atingir níveis de desempenho adequados para uso prático sem depender de materiais caros.
À temperatura ambiente, a condutividade iônica dos eletrólitos dopados com oxigênio é de cerca de 1,78 mS/cm, enquanto a dos eletrólitos dopados com enxofre atinge cerca de 1,01 mS/cm. A condutividade iônica mede a facilidade com que os íons de lítio se movem através de um material, com valores acima de 1 mS/cm geralmente considerados suficientes para aplicações práticas de baterias em temperatura ambiente.
Mudando a inovação da bateria para designs mais inteligentes
O professor Dong-Hwa Seo explicou o significado mais amplo do trabalho, dizendo: “Através deste estudo, propomos um princípio de design que pode melhorar simultaneamente o custo e o desempenho de baterias totalmente de estado sólido usando matérias-primas baratas. Seu potencial de aplicação industrial é muito alto.” O autor principal, Jae-Seung Kim, enfatizou que este estudo destaca uma mudança na pesquisa de baterias, desviando a atenção da simples seleção de novos materiais para o projeto de estruturas melhores.
Apoio à publicação e pesquisa
O estudo, liderado pelos co-autores Jae-Seung Kim (Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia) e Da-Seul Han (Universidade Dongguk), foi publicado em uma revista internacional comunicações da natureza 27 de novembro de 2025.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Centro de Promoção de Tecnologia Futura da Samsung Electronics, pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia e pelo Centro Nacional de Supercomputação.
