Engenheiros da Universidade da Califórnia em San Diego desenvolveram baterias de íons de lítio que funcionam bem em temperaturas muito frias e escaldantes, 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 ânodo e cátodo de alta energia.
As baterias resistentes à temperaturasão descritos em um artigo publicado na semana de 4 de julho no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Essas baterias poderiam permitir que veículos elétricos em climas frios viajassem mais longe com uma única carga;eles também poderiam reduzir a necessidade de sistemas de resfriamento para evitar o superaquecimento das baterias dos veículos em climas quentes, disse Zheng Chen, professor de nanoengenharia na Escola de Engenharia Jacobs da UC San Diego e autor sênior do estudo.
“É necessária uma operação em altas temperaturas em áreas onde a temperatura ambiente pode atingir os três dígitos e as estradas ficam ainda mais quentes.Nos veículos elétricos, as baterias normalmente ficam sob o 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 tolerarem esse aquecimento em altas temperaturas, seu desempenho será rapidamente degradado.”
Nos testes, as baterias de prova de conceito retiveram 87,5% e 115,9% de sua capacidade energética a -40 e 50 C (-40 e 122 F), respectivamente.Eles também apresentaram altas eficiências coulombianas 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 pararem 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 do eletrólito podem facilmente liberar os íons de lítio enquanto a bateria funciona.Esta fraca interação molecular, descobriram os pesquisadores em um estudo anterior, melhora o desempenho da bateria em temperaturas abaixo de zero.Além disso, o éter dibutílico pode suportar facilmente o calor porque permanece líquido em altas temperaturas (tem ponto de ebulição de 141 C ou 286 F).
Estabilizando produtos químicos de lítio-enxofre
O que também tem de 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 feito de metal de lítio e um cátodo feito de enxofre.As baterias de lítio-enxofre são uma parte essencial das tecnologias de baterias da próxima geração porque prometem densidades de energia mais altas e custos mais baixos.Podem armazenar até duas vezes mais energia por quilograma do que as actuais baterias de iões de lítio – o que poderia duplicar a autonomia dos veículos eléctricos sem qualquer aumento no peso da bateria.Além disso, o enxofre é mais abundante e menos problemático de obter do que o cobalto usado nos cátodos tradicionais das baterias de íons de lítio.
Mas existem problemas com baterias de lítio-enxofre.Tanto o cátodo quanto o ânodo são super reativos.Os cátodos de enxofre são tão reativos que se dissolvem durante a operação da bateria.Esse 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 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 precisará usar produtos químicos muito agressivos e complicados”, 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 temperaturas altas e baixas.As baterias testadas tinham vida útil muito mais longa do que uma bateria típica de lítio-enxofre.“Nosso eletrólito ajuda a melhorar tanto o lado do cátodo quanto o lado do ânodo, ao mesmo tempo que fornece alta condutividade e estabilidade interfacial”, disse Chen.
A equipe também projetou o cátodo de enxofre para ser mais estável, enxertando-o em um polímero.Isto evita que mais enxofre se dissolva no eletrólito.
Os próximos passos incluem aumentar a química da bateria, otimizá-la para funcionar em temperaturas ainda mais altas e prolongar ainda mais o ciclo de vida.
Artigo: “Critérios de seleção de solventes 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 na UC San Diego.
Este trabalho foi apoiado por uma bolsa para professores em início de carreira do Programa de Bolsas de Pesquisa em Tecnologia Espacial da NASA (ECF 80NSSC18K1512), pela National Science Foundation por meio do Centro de Ciência e Engenharia de Pesquisa de Materiais da UC San Diego (MRSEC, bolsa DMR-2011924) e pelo Escritório de Tecnologias Veiculares do Departamento de Energia dos EUA por meio do Programa de Pesquisa Avançada de Materiais para Baterias (Consórcio Battery500, contrato DE-EE0007764).Este trabalho foi realizado em parte na Infraestrutura de Nanotecnologia de San Diego (SDNI) na UC San Diego, membro da Infraestrutura Coordenada de Nanotecnologia Nacional, que é apoiada pela National Science Foundation (concessão ECCS-1542148).
Horário da postagem: 10 de agosto de 2022