As baterias desempenham um papel crítico na vida cotidiana, desde a alimentação de smartphones até a viabilização de veículos elétricos. Apesar de sua importância, as baterias atuais apresentam grandes desvantagens, como altos custos e o risco de incêndios ou explosões. As baterias de estado sólido sempre foram vistas como uma alternativa mais segura, mas o progresso foi prejudicado pelo desafio de equilibrar segurança, desempenho e acessibilidade. Agora, uma equipe de pesquisa na Coreia do Sul demonstrou que o desempenho das baterias pode ser significativamente melhorado por meio de um design estrutural inteligente, sem depender de metais caros.
Em 7 de janeiro, a KAIST anunciou um avanço feito por uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Dong-Hwa Seo, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais. O projeto reuniu 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, utilizando ingredientes brutos de baixo custo, enquanto mantêm um bom desempenho e um menor risco de incêndio ou explosão.
Por que os Eletrolitos Sólidos São Mais Seguros, Mas Mais Difíceis de Otimizar
As baterias de íon de lítio tradicionais dependem de um eletrólito líquido que permite o movimento de íons de lítio entre os eletrodos. As baterias de estado sólido substituem esse líquido por um eletrólito sólido, o que melhora significativamente a segurança. No entanto, os íons de lítio se movem mais lentamente através de sólidos, e as tentativas anteriores de acelerar esse movimento frequentemente dependeram de metais caros ou técnicas de fabricação complicadas.
Usando Química Cristalina para Acelerar o Movimento do Lítio
Para resolver esse problema, os pesquisadores se concentraram em melhorar o deslocamento dos íons de lítio através dos eletrólitos sólidos. Sua estratégia girou em torno do uso de “ânions divalentes”, como oxigênio e enxofre. Esses elementos influenciam a estrutura cristalina do eletrólito ao se tornarem parte de sua estrutura fundamental, o que pode alterar como os íons se movem dentro do material.
A equipe aplicou essa ideia a eletrólitos sólidos haletos à base de zircônio (Zr) de baixo custo. Ao introduzir cuidadosamente ânions divalentes, eles conseguiram ajustar precisamente a estrutura interna do material. Essa abordagem, conhecida como “Mecanismo de Regulação do Framework”, expande os caminhos disponíveis para os íons de lítio e reduz a energia necessária para que eles se movam. Como resultado, os íons de lítio podem viajar mais rápido e de forma mais eficiente através do material sólido.
Ferramentas Avançadas Confirmam Melhorias Estruturais
Para confirmar que essas mudanças estruturais funcionaram como esperado, os pesquisadores confiaram em uma gama de métodos analíticos avançados, incluindo:
- Difração de raios X de sincronotron de alta energia (Synchrotron XRD)
- Análise da Função de Distribuição de Pares (PDF)
- Espectroscopia de Absorção de Raios X (XAS)
- Modelagem de Teoria do Funcional de Densidade (DFT) para estrutura eletrônica e difusão
Essas técnicas permitiram à equipe examinar de perto como a estrutura cristalina mudou e como essas mudanças afetaram o movimento dos íons de lítio.
Aumentos de Desempenho Usando Materiais Inexpensivos
Os testes mostraram que a adição de oxigênio ou enxofre ao eletrólito aumentou a mobilidade dos íons de lítio em duas a quatro vezes em comparação com eletrólitos à base de zircônio convencionais. Essa melhoria indica que as baterias de estado sólido podem alcançar níveis de desempenho adequados para uso no mundo real sem depender de materiais caros.
À temperatura ambiente, o eletrólito dopado com oxigênio alcançou uma condutividade iônica de cerca de 1,78 mS/cm, enquanto a versão dopada com enxofre chegou a aproximadamente 1,01 mS/cm. A condutividade iônica mede a facilidade com que os íons de lítio se movem através de um material, e valores acima de 1 mS/cm são geralmente considerados adequados para aplicações práticas de bateria à temperatura ambiente.
Mudando a Inovação em Baterias em Direção ao Design Inteligente
O Professor Dong-Hwa Seo explicou a importância mais ampla do trabalho, dizendo: “Por meio desta pesquisa, apresentamos um princípio de design que pode simultaneamente melhorar o custo e o desempenho das baterias de estado sólido usando matérias-primas baratas. Seu potencial para aplicação industrial é muito alto.” O autor principal, Jae-Seung Kim, enfatizou que o estudo destaca uma mudança na pesquisa sobre baterias, movendo a atenção para longe da simples escolha de novos materiais e em direção ao design de estruturas melhores.
Publicação e Apoio à Pesquisa
O estudo, liderado pelos co-primeiros autores Jae-Seung Kim (KAIST) e Da-Seul Han (Universidade Dongguk), foi publicado na revista internacional Nature Communications em 27 de novembro de 2025.
O financiamento para a pesquisa foi fornecido pelo Centro de Promoção de Tecnologias Futuras da Samsung Electronics, pela Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia e pelo Centro Nacional de Supercomputação.