Eletrólito de oxifluoreto da Universidade de Nagoya, no Japão, atinge recorde de condutividade de 16,3 mS/cm

De acordo com pt.wedoany.com-A equipe do professor associado Takeshi Yajima, do Instituto de Design de Materiais e Engenharia de Inovação da Universidade de Nagoya, no Japão, revelou o mecanismo de alta condutividade do eletrólito sólido de oxifluoreto LLNOF e, ao alterar as proporções de lítio, lantânio e vacâncias no material, alcançou uma condutividade iônica de lítio em volume de 16,3 milissiemens por centímetro, o maior valor já medido para eletrólitos sólidos à base de óxido.

Os passageiros, ao realizar o check-in, são sempre solicitados a confirmar que não há carregadores portáteis ou bancos de energia na bagagem despachada, pois as baterias de íons de lítio utilizadas nesses dispositivos transportam íons de lítio entre os eletrodos por meio de um eletrólito líquido inflamável; se a bateria for danificada, o eletrólito líquido pode causar incêndios. Substituir o eletrólito líquido por um eletrólito sólido é uma das direções de pesquisa para reduzir esse risco, cujo desafio está em aumentar a condutividade iônica, ou seja, a fluidez com que os íons de lítio migram no eletrólito sólido.

Atualmente, alguns eletrólitos sólidos de alta condutividade utilizam materiais de sulfeto ou cloreto, cuja condutividade decorre da deformação da nuvem eletrônica ao redor dos ânions quando os íons de lítio atravessam o material. No entanto, esses materiais liberam gases tóxicos como sulfeto de hidrogênio e cloreto de hidrogênio ao entrar em contato com a umidade. Em contraste, óxidos e oxifluoretos são mais robustos e, como eletrólitos, apresentam maior estabilidade eletroquímica, suportando as flutuações de tensão repetidas durante os ciclos de carga e descarga, embora sua condutividade seja geralmente menor. Yajima já resumiu esse dilema: oxifluoretos são mais seguros, mas com baixa condutividade; sulfetos têm alta condutividade, mas apresentam riscos.

Em 2024, foi descoberto um cristal de oxifluoreto com fórmula química Li₂–xLa(1+x)/3Nb₂O₆F (abreviado como LLNOF), com condutividade de 7 milissiemens por centímetro, comparável à de eletrólitos líquidos. Esse resultado não pôde ser explicado por mecanismos conhecidos na época: a nuvem eletrônica ao redor do íon flúor central no LLNOF não se deforma tão facilmente quanto nos sulfetos ou cloretos. A equipe de Yajima posteriormente cultivou cristais únicos de LLNOF de alta qualidade, um processo que, segundo ele, levou mais de um ano, pois a qualidade do cristal precisava ser suficientemente alta para permitir a análise estrutural.

A equipe utilizou o método de Bridgman para crescer cristais únicos de LLNOF na escala milimétrica e, por meio de difração de cristal único, determinou o arranjo e o rearranjo local dos átomos na célula unitária. Os resultados mostraram que existem quatro sítios atômicos ao redor do íon flúor central, dispostos em forma de tetraedro, cada um podendo acomodar um íon de lítio, um átomo de lantânio ou permanecer em estado de vacância. Sempre que um íon de lítio salta para uma vacância vizinha, o íon flúor central se desloca ligeiramente em direção à posição original do íon de lítio, como se executasse um movimento de "esquiva", reduzindo assim a barreira de energia que o íon de lítio precisa superar para saltar. Em comparação com oxifluoretos cuja estrutura permanece rígida, esse mecanismo dinâmico confere ao LLNOF uma condutividade iônica de lítio mais elevada.

Os pesquisadores então ajustaram as proporções relativas de lítio, lantânio e vacâncias no LLNOF (ou seja, o valor de x na fórmula química) para otimizar a composição, descobrindo que quanto menor o x, maior a condutividade, alcançando finalmente uma condutividade iônica de lítio em volume de 16,3 milissiemens por centímetro. Esse resultado foi publicado no Journal of the American Chemical Society. Yajima acredita que esse mecanismo, que não depende de íons altamente polarizáveis, pode ser utilizado para desenvolver eletrólitos sólidos à base de óxido mais eficientes; a visão predominante na indústria era de que materiais à base de sulfeto se tornariam melhores condutores devido às características de seus ânions, e esse mecanismo desafia tal perspectiva. A equipe de pesquisa afirma que esse resultado representa um avanço em direção à aplicação prática das baterias de lítio de estado sólido.