Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram baterias de íon-lítio que funcionam bem em temperaturas congelantes e quentes, ao mesmo tempo em que acumulam muita energia.Os pesquisadores conseguiram esse feito desenvolvendo um eletrólito que não é apenas versátil e robusto em uma ampla faixa de temperatura, mas também compatível com um ânodo e cátodo de alta energia.
As baterias resistentes à temperaturasão descritos em um artigo publicado na semana de 4 de julho em Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Essas baterias podem permitir que veículos elétricos em climas frios viajem mais longe com uma única carga;eles também podem reduzir a necessidade de sistemas de refrigeração para evitar o superaquecimento das baterias dos veículos em climas quentes, disse Zheng Chen, professor de nanoengenharia da Escola de Engenharia da UC San Diego Jacobs e autor sênior do estudo.
“Você precisa de operação em alta temperatura em áreas onde a temperatura ambiente pode atingir os três dígitos e as estradas ficam ainda mais quentes.Nos veículos elétricos, as baterias geralmente ficam embaixo do piso, perto dessas estradas quentes”, explicou Chen, que também é membro do corpo docente do Centro de Energia e Energia Sustentável da UC San Diego.“Além disso, as baterias aquecem apenas com a passagem de corrente durante a operação.Se as baterias não puderem tolerar esse aquecimento em alta temperatura, seu desempenho se degradará rapidamente.”
Nos testes, as baterias de prova de conceito retiveram 87,5% e 115,9% de sua capacidade de energia a -40 e 50 C (-40 e 122 F), respectivamente.Eles também tiveram alta eficiência Coulombiana de 98,2% e 98,7% nessas temperaturas, respectivamente, o que significa que as baterias podem passar por mais ciclos de carga e descarga antes de parar de funcionar.
As baterias que Chen e seus colegas desenvolveram são tolerantes ao frio e ao calor graças ao seu eletrólito.É feito de uma solução líquida de éter dibutílico misturado com um sal de lítio.Uma característica especial do éter dibutílico é que suas moléculas se ligam fracamente aos íons de lítio.Em outras palavras, as moléculas de eletrólito podem facilmente liberar íons de lítio à medida que a bateria funciona.Essa interação molecular fraca, os pesquisadores descobriram em um estudo anterior, melhora o desempenho da bateria em temperaturas abaixo de zero.Além disso, o éter dibutílico pode facilmente suportar o calor porque permanece líquido em altas temperaturas (tem um ponto de ebulição de 141 C ou 286 F).
Estabilizando a química de lítio-enxofre
O que também é especial nesse eletrólito é que ele é compatível com uma bateria de lítio-enxofre, que é um tipo de bateria recarregável que possui um ânodo de metal lítio e um cátodo de enxofre.As baterias de lítio-enxofre são uma parte essencial das tecnologias de bateria de próxima geração porque prometem densidades de energia mais altas e custos mais baixos.Elas podem armazenar até duas vezes mais energia por quilo do que as baterias de íons de lítio atuais – isso poderia dobrar a autonomia dos veículos elétricos sem aumentar o peso da bateria.Além disso, o enxofre é mais abundante e menos problemático para obter do que o cobalto usado nos cátodos tradicionais das baterias de íons de lítio.
Mas há problemas com baterias de lítio-enxofre.Tanto o cátodo como o ânodo são super-reativos.Os cátodos de enxofre são tão reativos que se dissolvem durante a operação da bateria.Este problema piora em altas temperaturas.E os ânodos de metal de lítio são propensos a formar estruturas semelhantes a agulhas chamadas dendritos que podem perfurar partes da bateria, causando um curto-circuito.Como resultado, as baterias de lítio-enxofre duram apenas dezenas de ciclos.
“Se você deseja uma bateria com alta densidade de energia, normalmente precisa usar uma química muito dura e complicada”, disse Chen.“Alta energia significa que mais reações estão acontecendo, o que significa menos estabilidade, mais degradação.Fazer uma bateria de alta energia que seja estável é uma tarefa difícil – tentar fazer isso em uma ampla faixa de temperatura é ainda mais desafiador.”
O eletrólito de éter dibutílico desenvolvido pela equipe da UC San Diego evita esses problemas, mesmo em altas e baixas temperaturas.As baterias que eles testaram tiveram uma vida útil muito mais longa do que uma bateria de lítio-enxofre típica.“Nosso eletrólito ajuda a melhorar tanto o lado do cátodo quanto o lado do ânodo, proporcionando alta condutividade e estabilidade interfacial”, disse Chen.
A equipe também projetou o cátodo de enxofre para ser mais estável, enxertando-o em um polímero.Isso evita que mais enxofre se dissolva no eletrólito.
As próximas etapas incluem aumentar a química da bateria, otimizando-a para funcionar em temperaturas ainda mais altas e prolongando ainda mais a vida útil do ciclo.
Paper: “Critérios de seleção de solvente para baterias de lítio-enxofre resistentes à temperatura”.Os co-autores incluem Guorui Cai, John Holoubek, Mingqian Li, Hongpeng Gao, Yijie Yin, Sicen Yu, Haodong Liu, Tod A. Pascal e Ping Liu, todos da UC San Diego.
Este trabalho foi apoiado por uma bolsa do Early Career Faculty do Space Technology Research Grants Program da NASA (ECF 80NSSC18K1512), da National Science Foundation através do UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC, grant DMR-2011924) e do Office of Tecnologias de Veículos do Departamento de Energia dos EUA através do Programa de Pesquisa de Materiais de Baterias Avançadas (Battery500 Consortium, contrato DE-EE0007764).Este trabalho foi realizado em parte na San Diego Nanotechnology Infrastructure (SDNI) na UC San Diego, membro da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, que é apoiada pela National Science Foundation (conceder ECCS-1542148).
Horário da postagem: 10 de agosto de 2022