Revelado um material de haleto de alta densidade energética e longa vida útil
| Jerry Huang
Nota do editor: No campo do armazenamento de energia, as baterias totalmente em estado sólido são consideradas a melhor solução para a tecnologia de armazenamento de energia de próxima geração, mas seu desenvolvimento tem sido limitado por gargalos críticos nos materiais dos eletrodos. As baterias totalmente em estado sólido (ASSBs) tradicionais normalmente apresentam eletrodos compostos de materiais ativos, eletrólitos sólidos e aditivos condutores. No entanto, esses componentes inativos (ocupando 40–50% do volume dos eletrodos) não apenas reduzem a densidade de energia, mas também induzem reações laterais interfaciais e aumentam a tortuosidade do transporte de íons de lítio. Embora projetos "tudo em um" (materiais que exibem alta condutividade e atividade eletroquímica) possam resolver esses problemas, materiais existentes como óxidos (baixa capacidade) e sulfetos (alto custo) lutam para atender aos requisitos dos mercados futuros. Os haletos oferecem vantagens em baixo custo e alta condutividade iônica, mas sofrem com condutividade eletrônica e densidade de energia insuficientes. Portanto, desenvolver materiais "tudo em um" que combinem alto desempenho eletroquímico, escalabilidade de baixo custo com estabilidade mecânica tornou-se um desafio crítico.
Aqui está um excelente exemplo. Uma equipe da Universidade de Western Ontario, no Canadá, fornece uma resposta revolucionária em seu estudo na Nature: eles projetaram o primeiro material de haleto do mundo, Li₁.₃Fe₁.₂Cl₄, com capacidade de autorreparação dinâmica e integração três em um (cátodo/eletrólito/condutor). Por meio de reações redox reversíveis de Fe²⁺/Fe³⁺ e um mecanismo exclusivo de transição de frágil para dúctil, este material retém 90% da capacidade após 3.000 ciclos, atingindo uma densidade de energia do eletrodo de 529,3 Wh kg⁻¹ (escalável para 725,6 Wh kg⁻¹ com projetos compósitos). Mais notavelmente, seu custo é de apenas 26% do dos eletrodos convencionais. A radiação síncrotron, juntamente com simulações atômicas, revelou pela primeira vez um mecanismo de autorreparação induzido pela migração de ferro! Este trabalho não apenas lança um material essencial para baterias totalmente de estado sólido, como também fornece um caso paradigmático para um projeto completo, integrando materiais, mecânica e eletroquímica. Agradecemos aos grandes esforços de todos os pesquisadores.
Resumo
Baterias totalmente de estado sólido exigem projetos avançados de cátodos para concretizar seu potencial de alta densidade energética e viabilidade econômica. Cátodos integrados e completos, que eliminam aditivos condutores inativos e interfaces heterogêneas, prometem ganhos substanciais de energia e estabilidade, mas são prejudicados por materiais que não possuem condutividade Li+/e− suficiente, robustez mecânica e estabilidade estrutural. Aqui, apresentamos o Li1.3Fe1.2Cl4, um material de haleto com boa relação custo-benefício que supera esses desafios. Aproveitando a redox reversível de Fe2+/Fe3+ e o rápido transporte de Li+/e− em sua estrutura, o Li1.3Fe1.2Cl4 atinge uma densidade de energia de eletrodo de 529,3 Wh kg−1 versus Li+/Li. Criticamente, o Li1.3Fe1.2Cl4 apresenta propriedades dinâmicas únicas durante o ciclo, incluindo migração local reversível de Fe e uma transição de frágil para dúctil que confere comportamento de autorreparação. Isso permite uma estabilidade cíclica excepcional, mantendo 90% de retenção de capacidade por 3.000 ciclos a uma taxa de 5 °C. A integração de Li1,3Fe1,2Cl4 com um óxido lamelar rico em níquel aumenta ainda mais a densidade energética para 725,6 Wh kg−1. Ao aproveitar as vantajosas propriedades dinâmicas, mecânicas e de difusão dos haletos multifuncionais, este trabalho estabelece os haletos multifuncionais como uma alternativa para cátodos duráveis e com alta densidade energética em baterias de estado sólido de próxima geração.
Referências
https://doi.org/10.1038/s41586-025-09153-1