• Home
  • Química
  • Astronomia
  • Energia
  • Natureza
  • Biologia
  • Física
  • Eletrônicos
  •  science >> Ciência >  >> Química
    Uma influência estabilizadora permite a evolução da bateria de lítio-enxofre

    O procedimento de prensagem a quente, desenvolvido na Drexel, derrete o enxofre nas esteiras de nanofibra em um ambiente ligeiramente pressurizado, Ambiente de 140 graus Celsius - eliminando a necessidade de processamento demorado que usa uma mistura de produtos químicos tóxicos, ao mesmo tempo que melhora a capacidade do cátodo de manter uma carga após longos períodos de uso. Crédito:Drexel University

    No final de julho de 2008, um avião solar britânico estabeleceu um recorde não oficial de resistência de vôo ao permanecer no ar por mais de três dias seguidos. As baterias de lítio-enxofre surgiram como um dos grandes avanços tecnológicos que permitiram o vôo - alimentar o avião durante a noite com eficiência incomparável às baterias de topo da época. Dez anos depois, o mundo ainda aguarda a chegada comercial das baterias "Li-S". Mas uma descoberta feita por pesquisadores da Universidade Drexel acaba de remover uma barreira significativa que está bloqueando sua viabilidade.

    As empresas de tecnologia já sabem há algum tempo que a evolução de seus produtos, sejam laptops, telefones celulares ou carros elétricos, depende da melhoria constante das baterias. A tecnologia só é "móvel" enquanto a bateria permitir, e as baterias de íon-lítio - consideradas as melhores do mercado - estão chegando ao limite para melhorias.

    Com o desempenho da bateria se aproximando de um platô, as empresas estão tentando espremer até o último volt em, e fora de, os dispositivos de armazenamento, reduzindo o tamanho de alguns dos componentes internos que não contribuem para o armazenamento de energia. Alguns efeitos colaterais infelizes dessas mudanças estruturais são os problemas de funcionamento e colapsos que ocorreram em uma série de tablets Samsung em 2016.

    Pesquisadores e a indústria de tecnologia estão procurando baterias de Li-S para eventualmente substituir íons de lítio porque esta nova química permite, teoricamente, que mais energia seja armazenada em uma única bateria - uma medida chamada "densidade de energia" em pesquisa e desenvolvimento de baterias. Esta capacidade melhorada, na ordem de 5 a 10 vezes maior do que as baterias de íon-lítio, equivale a um tempo de execução mais longo para as baterias entre as cargas.

    O problema é, As baterias Li-S não conseguiram manter sua capacidade superior após as primeiras recargas. Acontece que o enxofre, que é o ingrediente chave para melhorar a densidade de energia, migra para longe do eletrodo na forma de produtos intermediários chamados polissulfetos, levando à perda deste ingrediente chave e enfraquecimento do desempenho durante as recargas.

    Durante anos, os cientistas vêm tentando estabilizar a reação dentro da bateria de Li-S para conter fisicamente esses polissulfetos, mas a maioria das tentativas criou outras complicações, como adicionar peso ou materiais caros à bateria ou adicionar várias etapas de processamento complicadas.

    Mas uma nova abordagem, relatado por pesquisadores do Drexel's College of Engineering em uma edição recente do jornal American Chemical Society Materiais Aplicados e Interfaces , intitulado "TiO Phase Stabilized into Free-Standing Nanofibers as Strong Polysulfide Immobilizer in Li-S Batteries:Evidence for Lewis Acid-Base Interactions, "mostra que pode manter polissulfetos no lugar, mantendo a impressionante resistência da bateria, enquanto reduz o peso geral e o tempo necessário para produzi-los.

    "Nós criamos um tapete de nanofibra de monóxido de titânio poroso autônomo como um material hospedeiro de cátodo em baterias de lítio-enxofre, "disse Vibha Kalra, Ph.D., professor assistente na Faculdade de Engenharia e autor principal da pesquisa. "Este é um desenvolvimento significativo porque descobrimos que nosso monóxido de titânio-cátodo de enxofre é altamente condutor e capaz de ligar polissulfetos por meio de fortes interações químicas, o que significa que pode aumentar a capacidade específica da bateria enquanto preserva seu desempenho impressionante por centenas de ciclos. Também podemos demonstrar a eliminação completa de aglutinantes e coletor de corrente no lado do cátodo que respondem por 30-50 por cento do peso do eletrodo - e nosso método leva apenas alguns segundos para criar o cátodo de enxofre, quando o padrão atual pode levar quase meio dia. "

    Por anos, os cientistas vêm tentando estabilizar a reação dentro da bateria de Li-S para conter fisicamente polissulfetos que prejudicam o desempenho, mas a maioria das tentativas criou outras complicações, como adicionar peso ou materiais caros à bateria ou adicionar várias etapas de processamento complicadas. Uma nova abordagem, concebida por pesquisadores da Drexel's College of Engineering, pode manter polissulfetos no lugar, mantendo a impressionante resistência da bateria, enquanto reduz o peso geral e o tempo necessário para produzi-los. Crédito:Drexel University

    Suas descobertas sugerem que o tapete de nanofibra, que no nível microscópico se assemelha a um ninho de pássaro, é uma excelente plataforma para o cátodo de enxofre porque atrai e retém os polissulfetos que surgem quando a bateria está sendo usada. Manter os polissulfetos na estrutura do cátodo evita o "vaivém, "um fenômeno que prejudica o desempenho que ocorre quando eles se dissolvem na solução de eletrólito que separa o cátodo do ânodo em uma bateria. Este projeto de cátodo não pode apenas ajudar a bateria Li-S a manter sua densidade de energia, mas também sem materiais adicionais que aumentam o peso e o custo de produção, de acordo com Kalra.

    Para atingir esses objetivos duplos, o grupo estudou de perto os mecanismos de reação e formação de polissulfetos para entender melhor como um material hospedeiro de eletrodo pode ajudar a contê-los.

    "Esta pesquisa mostra que a presença de uma forte interação ácido-base de Lewis entre o monóxido de titânio e o enxofre no cátodo impede que os polissulfetos entrem no eletrólito, que é a principal causa do desempenho reduzido da bateria, "disse Arvinder Singh, Ph.D., um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Kalra que foi o autor do artigo.

    Isso significa que seu projeto de cátodo pode ajudar uma bateria de Li-S a manter sua densidade de energia - e sem materiais adicionais que aumentam o peso e o custo de produção, de acordo com Kalra.

    O trabalho anterior do Kalra com eletrodos de nanofibra mostrou que eles oferecem uma variedade de vantagens em relação aos componentes atuais da bateria. Eles têm uma área de superfície maior do que os eletrodos de corrente, o que significa que eles podem acomodar a expansão durante o carregamento, o que pode aumentar a capacidade de armazenamento da bateria. Ao preenchê-los com um gel de eletrólito, eles podem eliminar componentes inflamáveis ​​de dispositivos, minimizando sua suscetibilidade a vazamentos, incêndios e explosões. Eles são criados por meio de um processo de eletrofiação, que se parece com fazer algodão doce, isso significa que eles têm uma vantagem sobre os eletrodos à base de pó padrão, que requerem o uso de produtos químicos isolantes e "aglutinantes" que deterioram o desempenho em sua produção.

    Em conjunto com seu trabalho de produção sem aglutinante, plataformas de cátodo independentes para melhorar o desempenho das baterias, O laboratório de Kalra desenvolveu uma técnica de deposição rápida de enxofre que leva apenas cinco segundos para colocar o enxofre em seu substrato. O procedimento derrete o enxofre nas esteiras de nanofibra em um ambiente ligeiramente pressurizado, Ambiente de 140 graus Celsius - eliminando a necessidade de processamento demorado que usa uma mistura de produtos químicos tóxicos, ao mesmo tempo que melhora a capacidade do cátodo de manter uma carga após longos períodos de uso.

    "Nossos eletrodos Li-S fornecem a arquitetura e química corretas para minimizar o enfraquecimento da capacidade durante o ciclo da bateria, um impedimento fundamental na comercialização de baterias Li-S, " Kalra said. "Our research shows that these electrodes exhibit a sustained effective capacity that is four-times higher than the current Li-ion batteries. And our novel, low-cost method for sulfurizing the cathode in just seconds removes a significant impediment for manufacturing."

    Since Zephyr-6's record-setting flight in 2008, many companies have invested in the development of Li-S batteries in hopes of increasing the range of electric cars, making mobile devices last longer between charges, and even helping the energy grid accommodate wind and solar power sources. Kalra's work now provides a path for this battery technology to move past a number of impediments that have slowed its progress.

    The group will continue to develop its Li-S cathodes with the goals of further improving cycle life, reducing the formation of polysulfides and decreasing cost.


    © Ciência https://pt.scienceaq.com