Inovação: Bateria de lítio de três camadas, resistente a fogo e explosões, com vida útil prolongada.

A segurança acompanha de perto a inovação.

Uma equipa da DGIST na Coreia do Sul afirma agora ter dado um passo prático em frente: um eletrólito polimérico de três camadas que reforça o núcleo da célula, envolve os elétrodos de forma mais uniforme e corta a propagação de chamas. O trabalho visa os dendritos e eventos térmicos sem abdicar do rendimento ou da vida útil dos ciclos.

Porque razão a segurança continuou a ficar para trás em baterias poliméricas

Os eletrólitos poliméricos prometem packs sem fugas e formatos flexíveis. Muitos continuam a sofrer de fraca resistência mecânica e contacto irregular com os elétrodos. Este desfasamento aumenta a resistência e o calor, especialmente sob carga rápida. Os dendritos então avançam pelos pontos de tensão e perfuram separadores. Cada pico arrisca um curto-circuito interno e um evento de fuga térmica.

As soluções convencionais gerem compromissos. Polímeros mais suaves molham os elétrodos mas deformam sob pressão. Películas mais rígidas controlam os dendritos mas reduzem a mobilidade iónica. Os aditivos frequentemente melhoram um critério e prejudicam três outros. O fosso entre amostras de laboratório e módulos reais mantém-se grande.

A ideia da tripla camada, em termos simples

O grupo da DGIST, liderado pelo Dr. Kim Jae-hyun, construiu um eletrólito em "sandes": uma folha rígida central protege contra perfurações, enquanto as camadas exteriores permanecem conformáveis para manter contacto íntimo com o ânodo e o cátodo. O conjunto mistura retardância à chama, reforço mecânico e condução de sais elevados numa só lâmina.

Materiais e funções

Um núcleo rígido bloqueia dendritos; camadas exteriores suaves mantêm contacto; retardantes de chama compram segundos preciosos quando algo corre mal.

O conceito espelha tendências em separadores e células de estado sólido, mas mantém compatibilidade com linhas de fabrico de iões de lítio. O eletrólito pode ser fundido e laminado, depois cortado e enrolado como as películas atuais. Isso reduz barreiras à produção piloto.

Ganhos mensuráveis relevantes

Ciclos de laboratório na DGIST mostraram uma retenção de capacidade de 87,9% após 1.000 ciclos de carga-descarga. Células comparáveis com eletrólitos poliméricos costumam ficar entre 70% e 80% de retenção nesse marco. A equipa reporta ainda comportamento auto-extinguível sob exposição a chamas, associado ao conteúdo de DBDPE e à estrutura da lâmina.

Retenção de capacidade de 87,9% a 1.000 ciclos com comportamento auto-extinguível posiciona a célula para maior longevidade e menos incidentes térmicos.

O equilíbrio entre rigidez e mobilidade iónica destaca-se. Polímeros de alto teor de sal podem tornar-se viscosos e lentos a baixas temperaturas. Aqui, o design pele-núcleo ajuda a manter condução nas interfaces, enquanto o centro aguenta o esforço mecânico. Essa separação de funções mantém a histerese de voltagem controlada durante o ciclo.

Onde poderá ser implementado primeiro

Os primeiros sucessos costumam ocorrer onde o risco é pouco tolerado e os volumes justificam ajustamentos de processo. A equipa aponta três alvos óbvios:

• Pequenos dispositivos de consumo que precisam de células finas e modos de falha mais seguros.
• Veículos elétricos, onde a segurança do pack e a garantia determinam o custo total.
• Armazenamento estacionário, sujeito a ciclos severos e certificação rigorosa.

Cada segmento observa atentamente a propagação térmica. Uma célula que atrasa a ignição e resiste a curtos internos pode alterar o design de módulos. Menos componentes para mitigação de fogo significam mais energia por litro e configurações de packs mais simples.

O que o estudo indica sobre a comercialização

A DGIST credita o apoio ao projeto Descoberta de Materiais do Futuro da Coreia e a um programa para investigadores em meio de carreira, com colaboração do Prof. Lee Jung-ho da Universidade Hanyang. O trabalho ganhou um destaque de capa na revista Small, sinalizando interesse dos pares. A equipa apresenta o eletrólito como “drop-in” para linhas de coating roll-to-roll. Se confirmado em escala piloto, tal reduz o risco de investimento para fornecedores.

O que ainda precisa ser comprovado

• Desempenho a baixas temperaturas, abaixo de 0 °C sob carga rápida.
• Durabilidade a altas taxas de carga (4C ou mais) sem queda de voltagem.
• Compatibilidade com ânodos ricos em silício que expandem ao ciclar.
• Segurança em repouso prolongado sob penetração de prego e testes de esmagamento, a nível de célula e módulo.
• Vida útil em células prismáticas de grande formato, não só amostras tipo “coin” ou “pouch”.
• Caminhos de reciclagem quando retardantes bromados entram no fluxo de resíduos.

Como se compara com outras abordagens de segurança

Eletrólitos líquidos com aditivos podem extinguir chamas mas continuam a vazar e libertar gases. Cerâmicas travam dendritos instantaneamente mas racham sob pressão do conjunto e aumentam custos. Gel polímeros facilitam o manuseamento mas perdem desempenho a altas densidades de corrente. Uma lâmina híbrida aposta no equilíbrio. Acrescenta força estrutural ao centro e mantém conformidade onde os elétrodos contactam.

As entidades reguladoras continuarão a pedir dados UN 38.3 e UL 9540A. Os fabricantes exigirão testes de propagação, não só métricas de célula única. Ganhos de vida útil só terão impacto se a durabilidade em calendário se mantiver em climas quentes. O resultado de 1.000 ciclos do grupo é um passo, não o ponto final.

Implicações para design e custo

Eletrólitos mais seguros podem reduzir pesados corta-fogos e canais de ventilação dentro dos módulos. Essa mudança resulta em mais energia por pack e menos peças. Se os fabricantes continuarem a usar ferramentas familiares de coating e laminação, os custos podem cair com a escala. A lâmina pode até permitir pressão de empilhamento mais alta, favorecendo carga rápida.

As estações de carregamento aplicam correntes cada vez mais elevadas todos os anos. Um eletrólito que reduz a resistência interfacial diminui o calor nos estrangulamentos. Esse efeito, multiplicado por milhares de células, alivia a carga dos sistemas de gestão térmica. Os operadores acabam por gastar menos energia em arrefecimento nas horas de ponta.

Glossário rápido para contexto

• Dendritos: depósitos de lítio em forma de agulha que podem perfurar separadores e causar curtos-circuitos.
• LiTFSI: um sal de lítio que proporciona transporte iónico forte e ampla estabilidade eletroquímica.
• DBDPE: retardante de chama bromado que favorece o comportamento auto-extinguível.
• Zeólito: aluminosilicato poroso que aumenta a rigidez e pode gerir interações com solventes.

Um caminho realista para utilização em campo

É de esperar células piloto em dispositivos de nicho antes de packs para veículos elétricos. Os fornecedores podem ajustar a espessura das camadas, teor de sal e carga de zeólito para cada formato. As peles exteriores suaves podem combinar-se bem com grafite hoje e, no futuro, adaptar-se a misturas com silício. O núcleo rígido pode ser espessado para células prismáticas maiores sujeitas a mais pressão de empilhamento.

Os fabricantes de módulos podem já realizar uma análise de risco. Substituam o separador e mistura líquida atuais por esta lâmina numa linha de testes. Repitam protocolos térmicos ISO a nível de módulo. Mapeiem o fluxo de calor com imagem infravermelha. Compare-se distância de propagação, composição de gases de ventilação e dano pós-morte nos elétrodos. Esse conjunto de dados decide o caso de negócio mais depressa do que qualquer título.

Notas extra para engenheiros e investidores

• Simular dilatação e compressão: acople um modelo eletroquímico com uma análise por elementos finitos da lâmina para mapear zonas de tensão entre 80–120% de estado de carga.
• Atenção à sensibilidade do custo do sal: o preço do LiTFSI oscila e pode afetar as margens em células de commodities.
• Cumprir regulamentos sobre compostos bromados: preparem-se para recolha e passaportes de materiais em futuras encomendas.
• Considere stacks mistos: combinar a lâmina com revestimentos cerâmicos finos pode elevar ainda mais a tolerância a abusos.