Aqui estão as moléculas de eletrólito em conserva (PF 2 OSiMe 3 ) ligação aos centros de reação na superfície do cátodo. Para as moléculas ball-and-stick anexadas à superfície do cátodo, verde oliva indica fósforo (P); roxa, flúor (F); vermelho, oxigênio (O); e estrutura acima do oxigênio, SiMe3. (Imagem:Laboratório Nacional Argonne / Juan C. Garcia
Pesquisadores de baterias do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram uma importante reação química que se assemelha ao método usado para fazer picles. A reação fornece informações importantes sobre o comportamento de um aditivo eletrolítico comum usado para aumentar o desempenho.
O sistema de armazenamento de energia escolhido para veículos elétricos é a bateria de íon-lítio. Em todas as baterias de veículos elétricos, quanto mais energia armazenada, quanto mais longo for o alcance de condução. Atualmente, Contudo, o cátodo limita a capacidade máxima de armazenamento de energia da bateria de íons de lítio. Superar essa limitação requer materiais catódicos que tenham alta capacidade e operem em alta tensão. Embora esses materiais tenham sido identificados, seu uso a longo prazo permanece problemático, porque degradam o eletrólito líquido em contato com o cátodo energizado durante o ciclo de carga-descarga da célula de íon-lítio.
Um meio bem conhecido de resolver esse problema é inserir um aditivo de aumento de desempenho no eletrólito líquido. Este aditivo modifica a superfície do cátodo, formando uma camada protetora que impede a decomposição do eletrólito. Um desses aditivos comuns, provou ser eficaz, é tris (trimetilsilil) fosfito, mais conhecido como TMSPi. O mecanismo por trás de seu efeito benéfico era um mistério - até agora.
O novo resultado surpreendente é que a própria molécula TMSPi não está envolvida diretamente na proteção do cátodo. O componente ativo é uma molécula diferente, PF 2 OSiMe 3 , que é quimicamente derivado de TMSPi e representado estruturalmente na imagem à esquerda.
Este composto - um entre muitos desses produtos - forma-se lentamente à medida que o sal de lítio no eletrólito reage com o TMSPi. Um dos autores de Argonne, Cientista de Materiais Sênior Daniel Abraham, comparou o processo "à fermentação anaeróbica de pepinos em salmoura, o que nos dá picles saborosos. "
Em sua pesquisa, Abraham e seus colegas demonstraram que essa "decapagem" oferece vários efeitos benéficos. O produto da reação diminui o aumento da resistência elétrica que normalmente ocorre na célula da bateria durante o ciclo de carga e descarga. Uma desaceleração indesejável dos íons de lítio movendo-se entre o cátodo e o ânodo e uma mudança irreversível na composição do cátodo desencadeia o aumento da resistência; diminuir o aumento da resistência permite o carregamento e a descarga rápidos da célula de íon-lítio.
O produto TMPSi também reduz a perda prejudicial do metal de transição (normalmente cobalto ou manganês) no material catódico. Depois de escapar do cátodo, os íons de metal de transição passam através do eletrólito para o ânodo, degradando seu desempenho durante o ciclismo prolongado. O produto TMPSi não apenas limita a perda de metal de transição, mas também reduz a ocorrência de correntes parasitas que degradam o processo de carga-descarga.
"A chave para o sucesso neste estudo foi a identificação da origem desses efeitos benéficos, "acrescentou Abraham. Ele elaborou que os estudos computacionais de sua equipe revelaram que o produto de reação PF 2 OSiMe 3 liga-se fortemente aos centros de reação na superfície do cátodo sem causar a remoção prejudicial de oxigênio da superfície. Esta molécula ligada à superfície pode ainda reagir com o eletrólito, transformando-se em uma molécula de ligação ainda mais forte que cobre permanentemente os centros de reação no cátodo, estabilizar a interface entre o eletrólito líquido e o eletrodo sólido. "Como resultado, "Abraham relata, "o desempenho da bateria realmente melhora à medida que o aditivo eletrolítico TMPSi envelhece."
Abraham também relata que este estudo de pesquisa em estágio inicial tem uma importante aplicação prática. "Agora que entendemos melhor o mecanismo de ação protetora do cátodo pelo fosfito, podemos ser mais sistemáticos na descoberta de novas maneiras de alcançar e melhorar essa decapagem do aditivo de eletrólito. "
Um artigo publicado recentemente no The Journal of Physical Chemistry , intitulado "Decapagem química" de aditivos de fosfato atenua o aumento da impedância em baterias de íons de lítio, "descreve o trabalho.
