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

A segurança tem vindo a acompanhar de perto o ritmo da inovação.

Uma equipa do DGIST, na Coreia do Sul, afirma agora ter dado um passo prático em frente: um eletrólito polimérico de três camadas que torna o núcleo da célula mais rígido, envolve os elétrodos de forma mais uniforme e limita a propagação de chama. O trabalho visa dendritos e eventos térmicos sem sacrificar a produtividade nem a vida útil em ciclos.

Porque é que a segurança ficou para trás nas baterias com eletrólitos poliméricos

Os eletrólitos poliméricos prometem packs sem fugas e formatos flexíveis. Muitos continuam, porém, a sofrer de baixa resistência mecânica e de um contacto irregular com os elétrodos. Esse desajuste aumenta a resistência e o calor, sobretudo em carregamento rápido. Entretanto, os dendritos avançam ao longo de pontos de tensão e perfuram separadores. Cada pico eleva o risco de curto-circuito interno e de um evento de fuga térmica.

As soluções convencionais equilibram compromissos. Polímeros mais macios “molham” melhor os elétrodos, mas deformam sob pressão. Filmes mais rígidos controlam dendritos, mas perdem mobilidade iónica. Aditivos ajudam muitas vezes uma métrica e prejudicam três outras. O fosso entre amostras de laboratório e módulos reais mantém-se grande.

A ideia das três camadas, em termos simples

O grupo do DGIST, liderado pelo Dr. Kim Jae-hyun, construiu um eletrólito em “sanduíche”: uma folha central rígida protege contra perfuração, enquanto as peles exteriores permanecem conformáveis para manter contacto íntimo com ânodo e cátodo. A pilha combina retardância à chama, reforço mecânico e condução com elevada concentração de sal num único laminado.

Materiais e funções

Camada ou aditivo	Função	Porque importa
Camada central rígida	Resiste à penetração de dendritos	Mitiga curtos-circuitos internos em utilização de alta taxa
Camadas exteriores conformáveis	Melhora o contacto com os elétrodos	Reduz a resistência interfacial e a acumulação de calor
DBDPE (decabromodifeniletano)	Retardante de chama	Reduz a ignição e favorece comportamento autoextinguível
Partículas de zeólito	Reforço mecânico	Aumenta o módulo sem bloquear vias iónicas
Alta concentração de LiTFSI	Aumenta o transporte de iões lítio	Sustenta a entrega de corrente a temperaturas práticas

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

O conceito segue tendências em separadores e pilhas de estado sólido, mas mantém compatibilidade com linhas de fabrico de iões de lítio. O eletrólito pode ser vazado (cast) e laminado, depois cortado e enrolado como os filmes atuais. Isso reduz a barreira à produção piloto.

Ganhos medidos que interessam

Ensaios de ciclagem em laboratório no DGIST mostraram 87,9% de retenção de capacidade após 1.000 ciclos de carga-descarga. Células comparáveis com eletrólito polimérico ficam frequentemente entre 70% e 80% de retenção nessa marca. A equipa também relata comportamento autoextinguível sob exposição a chama, uma propriedade associada à carga de DBDPE e à estrutura do laminado.

87,9% de retenção de capacidade aos 1.000 ciclos com comportamento autoextinguível posiciona a célula para maior serviço e menos incidentes térmicos.

Destaca-se o equilíbrio entre rigidez e mobilidade iónica. Polímeros com muito sal podem tornar-se viscosos e lentos a baixa temperatura. Aqui, o desenho pele–núcleo ajuda a sustentar a condução nas interfaces, enquanto o centro suporta o esforço mecânico. Essa divisão de funções mantém a histerese de tensão sob controlo durante a ciclagem.

Onde isto poderá chegar primeiro ao mercado

Os primeiros sucessos tendem a surgir onde a tolerância ao risco é baixa e os volumes justificam ajustes de processo. A equipa aponta três alvos óbvios:

• Pequenos dispositivos de consumo que exigem células finas e modos de falha mais “calmos”.
• Veículos elétricos, onde a segurança do pack e os ciclos de garantia determinam o custo total.
• Armazenamento estacionário, que enfrenta regimes de utilização severos e certificação exigente.

Cada segmento observa de perto a propagação térmica. Uma célula que atrasa a ignição e resiste a curtos internos pode alterar o desenho dos módulos. Menos componentes de mitigação de incêndio significam mais energia por litro e layouts de pack mais simples.

O que o estudo diz sobre comercialização

O DGIST atribui o apoio ao projeto coreano Future Materials Discovery e a um programa para investigadores em meio de carreira, com colaboração do Prof. Lee Jung-ho, da Hanyang University. O trabalho ganhou destaque de capa na Small, sinalizando interesse da comunidade. A equipa enquadra o eletrólito como “drop-in” para linhas de revestimento roll-to-roll. Essa afirmação, se confirmada em escala piloto, reduz o risco de CAPEX para fornecedores.

O que ainda precisa de ser provado

• Desempenho a baixa temperatura abaixo de 0°C em carregamento rápido.
• Durabilidade a altas taxas a 4C ou superior sem queda de tensão.
• Compatibilidade com ânodos ricos em silício que incham durante a ciclagem.
• Segurança em retenção prolongada em testes de perfuração por prego e esmagamento ao nível de célula e módulo.
• Vida em ciclos em células prismáticas de grande formato, e não apenas em moedas (coin) ou amostras tipo pouch.
• Vias de reciclagem quando retardantes bromados entram no fluxo de resíduos.

Como se compara com outras vias de segurança

Eletrólitos líquidos com aditivos podem extinguir chamas, mas continuam a vazar e a ventilar. Cerâmicos travam dendritos de forma eficaz, mas fissuram sob pressão de empilhamento e aumentam custos. Polímeros em gel melhoram o manuseamento, mas ficam aquém em densidades de corrente elevadas. Um laminado híbrido procura deliberadamente um meio-termo: adiciona resistência estrutural no centro e mantém conformabilidade onde os elétrodos se encontram.

Os reguladores continuarão a pedir dados UN 38.3 e UL 9540A. Fabricantes de packs exigirão testes de propagação, não apenas métricas de célula única. Ganhos de vida em ciclos só contarão se a vida de calendário se mantiver em climas quentes. O resultado de 1.000 ciclos é um passo, não a meta final.

Implicações para o design e para o custo

Eletrólitos mais seguros podem reduzir firewalls pesadas e canais de ventilação dentro dos módulos. Essa alteração aumenta a energia por pack e reduz o número de componentes. Se os fabricantes continuarem a usar ferramentas familiares de revestimento e laminação, os custos podem descer com a escala. O laminado pode até permitir maior pressão de empilhamento, o que ajuda o carregamento rápido.

As estações de carregamento empurram correntes mais elevadas todos os anos. Um eletrólito que reduza a resistência interfacial diminui o calor no “gargalo”. Esse efeito, multiplicado por milhares de células, reduz a carga do sistema de gestão térmica. Os operadores passam então a gastar menos energia em arrefecimento durante horas de pico.

Glossário rápido para contexto

• Dendritos: depósitos de lítio em forma de agulha que podem perfurar separadores e provocar curto numa célula.
• LiTFSI: um sal de lítio com forte transporte iónico e ampla estabilidade eletroquímica.
• DBDPE: um retardante de chama bromado que favorece comportamento autoextinguível.
• Zeólito: um aluminosilicato poroso que aumenta a rigidez e pode gerir interações com solventes.

Um caminho realista para uso no terreno

Espere-se ver células piloto em dispositivos de nicho antes de packs de VE. Os fornecedores podem ajustar a espessura das camadas, o teor de sal e a carga de zeólito para cada formato. Peles exteriores macias podem casar bem com grafite hoje e, mais tarde, estender-se a misturas com silício. O meio rígido pode escalar em espessura para células prismáticas maiores, que enfrentam maior pressão de empilhamento.

Os fabricantes de módulos podem já fazer uma análise de risco. Substituir o separador atual e a mistura líquida numa linha de teste pelo laminado. Repetir protocolos ISO de fuga térmica ao nível de módulo. Mapear o fluxo de calor com imagem infravermelha. Comparar distância de propagação, composição dos gases ventilados e danos pós-mortem nos elétrodos. Esse conjunto de dados decide o caso de negócio mais depressa do que qualquer manchete.

Notas extra para engenheiros e investidores

• Simular inchamento e compressão: acoplar um modelo eletroquímico a um modelo por elementos finitos do laminado para acompanhar campos de tensão a 80–120% de estado de carga.
• Vigiar a sensibilidade ao custo do sal: o preço do LiTFSI flutua e pode influenciar margens brutas em células de commodity.
• Ter em conta regulamentos sobre compostos bromados: planear recolha e passaportes de materiais em futuros concursos.
• Considerar pilhas mistas: combinar o laminado com revestimentos cerâmicos finos pode aumentar ainda mais a tolerância a abuso.