Uma boa bateria precisa de duas coisas: alta densidade de energia para alimentar os dispositivos e estabilidade, para que possa ser recarregada com segurança e confiabilidade milhares de vezes. Nas últimas três décadas, as baterias de íons de lítio reinaram supremas, provando seu desempenho em smartphones, laptops e veículos elétricos.

Mas os pesquisadores de baterias começaram a se aproximar dos limites do íon-lítio. À medida que veículos de longo alcance e aeronaves elétricas de última geração começam a chegar ao mercado, a busca por sistemas de bateria mais seguros, baratos e poderosos que possam superar o íon de lítio está aumentando.

Uma equipe de pesquisadores do Georgia Institute of Technology, liderada por Matthew McDowell, professor associado da George W. Woodruff School of Mechanical Engineering e da School of Materials Science and Engineering, está usando e maior estabilidade. O novo sistema de bateria da equipe, detalhado na Nature Communications , poderia permitir que os veículos elétricos funcionassem por mais tempo com uma única carga e seria mais barato de fabricar - ao mesmo tempo em que causaria um impacto positivo no meio ambiente.

“Estamos sempre procurando por baterias com maior densidade de energia, o que permitiria que os veículos elétricos percorressem distâncias maiores com uma carga”, disse McDowell. "É interessante podermos usar alumínio como material de bateria , porque é econômico, altamente reciclável e fácil de trabalhar."

A ideia de fazer baterias com alumínio não é nova. Os pesquisadores investigaram seu potencial na década de 1970, mas não funcionou bem.

Quando usado em uma bateria de íon de lítio convencional, o alumínio fratura e falha em alguns ciclos de carga e descarga, devido à expansão e contração à medida que o lítio entra e sai do material. Os desenvolvedores concluíram que o alumínio não era um material viável para baterias e a ideia foi amplamente abandonada.

Agora, as baterias de estado sólido entraram em cena. Enquanto as baterias de íon-lítio contêm um líquido inflamável que pode levar a incêndios, as baterias de estado sólido contêm um material sólido que não é inflamável e, portanto, provavelmente mais seguro. As baterias de estado sólido também permitem a integração de novos materiais ativos de alto desempenho, como mostrado nesta pesquisa.

O projeto começou como uma colaboração entre a equipe da Georgia Tech e a Novelis, uma fabricante líder de alumínio e a maior recicladora de alumínio do mundo, como parte do Novelis Innovation Hub na Georgia Tech. A equipe de pesquisa sabia que o alumínio traria benefícios de energia, custo e fabricação quando usado como material no ânodo da bateria - o lado carregado negativamente da bateria que armazena lítio para gerar energia - mas as folhas de alumínio puro estavam falhando rapidamente quando testadas em baterias. .

A equipe decidiu adotar uma abordagem diferente. Em vez de usar alumínio puro nas folhas, eles adicionaram pequenas quantidades de outros materiais ao alumínio para criar folhas com "microestruturas" específicas ou arranjos de diferentes materiais. Eles testaram mais de 100 materiais diferentes para entender como eles se comportariam em baterias.

"Precisávamos incorporar um material que tratasse dos problemas fundamentais do alumínio como ânodo de bateria", disse Yuhgene Liu, Ph.D. estudante no laboratório de McDowell e primeiro autor do artigo. "Nosso novo ânodo de folha de alumínio demonstrou desempenho e estabilidade acentuadamente aprimorados quando implementado em baterias de estado sólido , em oposição às baterias convencionais de íon-lítio".

A equipe observou que o ânodo de alumínio poderia armazenar mais lítio do que os materiais de ânodo convencionais e, portanto, mais energia. No final, eles criaram baterias de alta densidade de energia que poderiam superar as baterias de íon-lítio.

"Um dos benefícios de nosso ânodo de alumínio que nos entusiasma é que ele permite melhorias de desempenho, mas também pode ser muito econômico", disse McDowell. "Além disso, ao usar uma folha diretamente como componente da bateria, na verdade removemos muitas das etapas de fabricação que normalmente seriam necessárias para produzir um material de bateria".

Aeronaves elétricas de curto alcance estão em desenvolvimento por diversas empresas, mas o fator limitante são as baterias. As baterias de hoje não contêm energia suficiente para alimentar aeronaves a voar distâncias superiores a 150 milhas ou mais. Novas químicas de bateria são necessárias, e as baterias de ânodo de alumínio da equipe McDowell podem abrir a porta para tecnologias de bateria mais poderosas.

"O sucesso inicial desses ânodos de folha de alumínio apresenta uma nova direção para a descoberta de outros materiais de bateria em potencial", disse Liu. “Espero que isso abra caminhos para reimaginar uma arquitetura de célula de bateria mais otimizada em termos de energia e econômica”.

A equipe está atualmente trabalhando para aumentar o tamanho das baterias para entender como o tamanho influencia o comportamento do alumínio. O grupo também está explorando ativamente outros materiais e microestruturas com o objetivo de criar folhas muito baratas para sistemas de bateria.

"Esta é uma história sobre um material que era conhecido há muito tempo, mas foi amplamente abandonado no início do desenvolvimento da bateria", disse McDowell. "Mas com novos conhecimentos, combinados com uma nova tecnologia - a bateria de estado sólido - descobrimos como podemos rejuvenescer a ideia e alcançar um desempenho realmente promissor."