União de material de eletrodo e eletrólito sólido por cristalização por sinterização flash para baterias de estado sólido

• Processo: 24/08265-8
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Data de Início da vigência: 01 de agosto de 2025
• Data de Término da vigência: 31 de julho de 2027
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia de Materiais e Metalúrgica - Materiais Não-metálicos
• Pesquisador responsável: Ana Candida Martins Rodrigues
• Beneficiário: Joseph Nzabahimana
• Instituição Sede: Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia (CCET). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). São Carlos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 13/07793-6 - CEPIV - Centro de Ensino, Pesquisa e Inovação em Vidros, AP.CEPID
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: bateria de estado sólido | eletrólito sólido | flash-sintering | Flash-sintering Crystallization | Interface eletrólito-eletrodo | Materiais Nasicon | Vidros e cerâmicas

Resumo

Materiais com estrutura NaSICON (abreviação de "Condutor superiônico Na") mostraram-se promissores para servir como eletrólitos na próxima geração de baterias totalmente de estado sólido (ASSBs). Esses eletrólitos de estado sólido (SSEs) permitem a utilização de cátodos de alta tensão e ânodos metálicos, resultando em baterias com maior densidade de energia e maior segurança em comparação com aquelas que empregam eletrólitos líquidos atualmente predominantes, que são propensos à inflamabilidade.Apesar das vantagens reconhecidas dos ASSB, vários desafios ainda precisam de ser enfrentados antes da sua adoção generalizada. Entre esses desafios, uma questão proeminente é a elevada resistência da interface entre o eletrólito e os eletrodos. Esta resistência elevada pode surgir devido a vários fatores, como contato interfacial insuficiente, degradação interfacial decorrente da difusão mútua e deficiências mecânicas nos contatos, como rachaduras ou formação de poros. Esses processos de degradação interfacial podem ser categorizados por sua origem como químicos ou mecânicos.Problemas mecânicos interfaciais podem ser mitigados através da implementação de métodos aprimorados de união de superfícies. Por exemplo, um conjunto compreendendo um ânodo || eletrólito || o cátodo (NVP-NZSP-Csp || NZSP || NVP-NZSP-Csp, respectivamente) foi sinterizado com sucesso de uma só vez usando a técnica Spark-Plasma Sintering (SPS), resultando em uma interface otimizada entre os componentes da bateria.Neste contexto, a investigação da técnica Flash-Joining apresenta um caminho intrigante. Esta técnica mostra-se promissora na ligação de cerâmicas e metais, reduzindo o microcisalhamento e as tensões de flexão. Isto evita a formação de fissuras e defeitos na interface devido a diferenças nos coeficientes de expansão térmica e taxas de sinterização em sistemas multicamadas. Flash-Joining envolve essencialmente a aplicação de Flash-Sintering a um material multicamadas. A Sinterização Flash consiste na aplicação de um campo elétrico durante o aquecimento de um material cerâmico do tipo NTC (coeficiente térmico negativo). Em combinações específicas de campo elétrico e temperatura, ocorre um evento de flash - um momento em que a corrente elétrica que passa pelo material aumenta abruptamente, levando a um aumento correspondente na temperatura. Assim que a corrente elétrica atinge um valor predeterminado, a fonte passa para o modo de controle de corrente, mantendo-a constante. Isto estabelece um equilíbrio térmico entre o aquecimento Joule e a dissipação de calor para o ambiente, conhecido como regime de estado estacionário.Recentemente, nosso grupo de pesquisa desenvolveu a técnica Flash Sinter Crystallization para sinterizar e cristalizar simultaneamente compactos de pó de vidro, bem como Flash Crystallization para cristalizar exclusivamente vidros monolíticos. Através da Sinter-Cristalização Flash, alcançamos uma redução notável na temperatura do forno e no tempo de sinter-cristalização para dois sistemas de vidro: Li1.5Al0.5Ge1.5(PO4)3 (LAGP) e Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 (LATP), até 480 e 460 °C, e alcançou a cristalização completa em apenas 20 segundos! Tradicionalmente, a sinterização e a cristalização simultâneas destes materiais necessitam de fornos operando a 850 e 950 °C, respectivamente, e requerem pelo menos 2 horas para atingir a cristalização completa. Além disso, além das evidentes reduções no tempo de processamento e no consumo de energia, esta técnica rendeu materiais com condutividade iônica superior em comparação aos produzidos convencionalmente.Assim, existe uma excelente oportunidade para aproveitar a Cristalização Flash Sinter e a Cristalização Flash para otimizar a condutividade iônica de materiais com uma estrutura NaSICON, combinada com a técnica Flash-Joining para otimizar a interface entre o material catódico e o material eletrolítico estruturado NaSICON para aplicação potencial em ASSBs.