Sólido

Aug 02, 2023

Just_Super/iStock

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Pesquisadores da Universidade de Bayreuth, na Alemanha, com parceiros da China, fizeram um avanço significativo na tecnologia de baterias. Usando um aditivo inovador à base de nitrato, eles desenvolveram com sucesso uma nova bateria de lítio-metal de estado sólido que é estável e potencialmente duradoura. Isto, enfatiza a equipe de pesquisa, ressalta a importância do design molecular na criação de aditivos eficazes para eletrólitos de estado quase sólido.

O Professor Doutor Francesco Ciucci, Presidente de Design de Eletrodos para Sistemas de Energia Eletroquímica da Universidade de Bayreuth, colaborou com parceiros de pesquisa da China para resolver problemas de incompatibilidade entre nitrato de lítio e 1,3-dioxolano (DOL) em eletrólitos de baterias quase sólidas, integrando um novo aditivo à base de nitrato. Este é um desenvolvimento significativo, uma vez que, no passado, tais problemas de incompatibilidade tornaram essas baterias muito difíceis de criar ou de escalar para produção.

A descoberta da equipe agora permite o desenvolvimento de baterias de metal de lítio em estado sólido que são altamente seguras, duráveis ​​e fáceis de produzir, mantendo os métodos de fabricação usados ​​para baterias líquidas convencionais.

Em seus experimentos, eles tentaram fabricar diferentes versões dessas baterias e descobriram que um tipo específico, a célula de lítio-enxofre (Li-S), teve um desempenho especialmente bom. As baterias Li-S têm potencial para densidade de energia muito alta. Isto significa que podem armazenar muita energia para o seu peso, o que é especialmente valioso para aplicações como aviação ou veículos eléctricos, onde o peso é importante. Além da alta densidade energética, o enxofre é abundante e barato, o que poderia tornar as baterias Li-S mais econômicas em comparação com outras tecnologias de baterias se os desafios técnicos fossem enfrentados.

Prof. Dr. Francesco Ciucci et al, 2023.

Mas, até agora, as células Li-S sofreram com um ciclo de vida e estabilidade deficientes.

“A natureza de estado sólido das baterias garante um alto nível de segurança enquanto sua fabricação permanece simples”, explicou o Prof. Ciucci. "Demonstramos a universalidade da abordagem criando vários tipos de baterias de metal de lítio. Notavelmente, a célula Li-S de bolsa fabricada exibe desempenho superior em comparação com as células Li-S de bolsa documentadas anteriormente", acrescentou.

O professor Ciucci e sua equipe de pesquisa introduziram um novo aditivo, o dinitrato de trietilenoglicol, projetado especificamente para permitir a polimerização do DOL. A equipe de pesquisa mostrou que, concomitantemente à polimerização, a formação de uma camada interfásica de eletrólito sólido rica em nitrogênio suprime reações parasitárias prejudiciais e aumenta a eficiência da bateria.

Com base nos resultados do estudo, várias células de bateria foram desenvolvidas. Entre elas, células tipo botão em escala de laboratório poderiam ser carregadas e descarregadas mais de 2.000 vezes. Uma célula tipo bolsa Li-S de 1,7 Ah com alta densidade de energia de 304 Wh kg-1 e ciclagem estável também foi fabricada.

Esta descoberta é um grande avanço na tecnologia de baterias. Mostra a importância de projetar moléculas corretamente para produzir baterias melhores. "Este estudo ressalta a importância do projeto da estrutura molecular na criação de aditivos eficazes para eletrólitos de estado quase sólido. Ele representa um avanço significativo na viabilidade prática do emprego de eletrólitos de estado quase sólido baseados em poli-DOL em baterias de metal de lítio, " explicou o Prof.

Você pode ver o estudo na revista Energy & Environmental Science.

Resumo do estudo:

A polimerização in situ de eletrólitos de estado quase sólido (QSSEs) está emergindo como uma abordagem promissora para o [desenvolvimento] de baterias de lítio-metal escaláveis, seguras e de alto desempenho. Neste contexto, os eletrólitos à base de poli-DOL são particularmente atraentes devido à sua ampla janela eletroquímica e forte compatibilidade com o metal lítio. Para aumentar a estabilidade do metal de lítio, LiNO3 é frequentemente adicionado, pois cria uma interfase eficaz de eletrólito sólido rico em Li3N na superfície do ânodo de metal de lítio. No entanto, o LiNO3 impede a polimerização de abertura do anel do DOL, tornando os dois compostos incompatíveis. Para resolver esta questão, este trabalho desenvolve dinitrato de trietilenoglicol (TEGDN), um novo aditivo à base de nitrato, para substituir o LiNO3. Assim como o LiNO3, o TEGDN forma uma interfase eletrolítica sólida densa e rica em nitrogênio na superfície do lítio, protegendo-o de reações parasitárias. No entanto, ao contrário do LiNO3, o TEGDN não interfere na polimerização do DOL, permitindo a fabricação de um eletrólito altamente eficaz que fornece uma condutividade iônica de 2,87 mS cm-1 e um potencial de estabilidade à oxidação de 4,28 V à temperatura ambiente. Para demonstrar a viabilidade desta abordagem, é fabricada uma célula do tipo moeda Li | LiFePO4 que circula de forma estável mais de 2.000 vezes a 1C. Além disso, é preparada uma célula de lítio-enxofre tipo bolsa de 1,7 Ah com uma energia específica inicial de 304 W h kg-1 e uma retenção de capacidade de 79,9% após 50 ciclos. Em suma, o presente estudo propôs um novo aditivo para resolver pela primeira vez a incompatibilidade de poli-DOL e LiNO3, desenvolvendo baterias de estado quase sólido polimerizadas in situ que exibem notável capacidade e estabilidade, formando uma interfase de eletrólito sólido rico em N.