Melhorias em uma classe de eletrólito de bateria introduzida pela primeira vez em 2017 - eletrólitos de gás liquefeito - poderiam abrir caminho para um avanço de alto impacto e há muito procurado para baterias recarregáveis:substituir o ânodo de grafite por um ânodo de metal de lítio.

A pesquisa, publicado em 1º de julho, 2019 pelo jornal Joule , baseia-se nas inovações relatadas pela primeira vez em Ciência em 2017 pelo mesmo grupo de pesquisa da Universidade da Califórnia em San Diego e a spinout da universidade South 8 Technologies.

Encontrar maneiras econômicas de substituir o ânodo de grafite em baterias comerciais de íon-lítio é de grande interesse porque pode levar a baterias mais leves, capazes de armazenar mais carga, por meio de um aumento de 50% na densidade de energia no nível da célula. O aumento da densidade de energia viria de uma combinação de fatores, incluindo a alta capacidade específica do ânodo de metal de lítio, baixo potencial eletroquímico, e peso leve (baixa densidade).

Como resultado, mudar para ânodos de metal de lítio aumentaria significativamente o alcance dos veículos elétricos e reduziria o custo das baterias usadas para o armazenamento da rede, explicou a professora de nanoengenharia da UC San Diego, Shirley Meng, um autor correspondente no novo artigo em Joule .

Contudo, fazer a mudança traz desafios técnicos. O principal obstáculo é que os ânodos de metal de lítio não são compatíveis com os eletrólitos convencionais. Dois problemas de longa data surgem quando esses ânodos são combinados com eletrólitos convencionais:baixa eficiência de ciclo e crescimento de dendrito.

Portanto, a abordagem de Meng e seus colegas foi mudar para um eletrólito mais compatível, chamados eletrólitos de gás liquefeito.

Eletrólitos de gás liquefeito em ação

Um dos aspectos tentadores desses eletrólitos de gás liquefeito é que eles funcionam tanto em temperatura ambiente quanto em temperaturas extremamente baixas, até -60 C. Esses eletrólitos são feitos de solventes gasosos liquefeitos - gases que são liquefeitos sob pressões moderadas - que são muito mais resistentes ao congelamento do que os eletrólitos líquidos padrão.

No artigo de 2019 em Joule , os pesquisadores relatam como, através de estudos experimentais e computacionais, eles melhoram sua compreensão sobre algumas das deficiências da química do eletrólito do gás liquefeito. Com este conhecimento, eles foram capazes de adaptar seus eletrólitos de gás liquefeito para melhorar o desempenho nas principais métricas para ânodos de metal de lítio, ambos à temperatura ambiente e menos 60 C.

Em testes de meia célula de metal de lítio, a equipe relata que a eficiência do ciclo do ânodo (eficiência Coulombic) foi de 99,6 por cento para 500 ciclos de carga em temperatura ambiente. Isso é um aumento em relação aos 97,5 por cento de eficiência do ciclismo relatado em 2017 Ciência papel, e uma eficiência de ciclo de 85 por cento para ânodos de metal de lítio com um eletrólito convencional (líquido).

A menos 60 C, a equipe demonstrou eficiência de ciclo de ânodo de metal de lítio de 98,4 por cento. Em contraste, a maioria dos eletrólitos convencionais não funcionam abaixo de -20 ° C.

As ferramentas de simulação e caracterização da equipe da UC San Diego, muitos desenvolvidos no Laboratório de Armazenamento e Conversão de Energia liderado por Shirley Meng, permitem aos pesquisadores explicar por que os ânodos de metal de lítio funcionam melhor com eletrólitos de gás liquefeito. Pelo menos parte da resposta tem a ver com como as partículas de lítio se depositam na superfície do ânodo de metal.

Os pesquisadores relatam a deposição suave e compacta de partículas de lítio em ânodos de metal de lítio quando eletrólitos de gás liquefeito são usados. Em contraste, quando eletrólitos convencionais são usados, dendritos em forma de agulha se formam no ânodo de metal de lítio. Esses dendritos podem degradar a eficiência, causar curtos-circuitos, e levar a sérias ameaças à segurança.

Uma medida de quão densamente as partículas de lítio se depositam nas superfícies do ânodo é a porosidade. Quanto menor a porosidade, melhor. Os relatórios da equipe de pesquisa em Joule que a porosidade da deposição de partículas de lítio em um ânodo de metal é de 0,90 por cento à temperatura ambiente usando eletrólitos de gás liquefeito à temperatura ambiente. A porosidade na presença de eletrólitos convencionais salta para 16,8 por cento.

A corrida pelo eletrólito certo

Atualmente, há um grande esforço para encontrar ou melhorar eletrólitos que sejam compatíveis com o ânodo de metal de lítio e sejam competitivos em termos de custo, segurança, e faixa de temperatura. Os grupos de pesquisa têm procurado principalmente solventes altamente concentrados (líquidos) ou eletrólitos de estado sólido, mas atualmente não há bala de prata.

"Como parte da comunidade de pesquisa de baterias, Estou confiante de que iremos desenvolver os eletrólitos de que precisamos para os ânodos de metal de lítio. Espero que esta pesquisa inspire mais grupos de pesquisa a olharem seriamente para eletrólitos de gás liquefeito, "disse Meng.

Meng também é o autor correspondente em um artigo relacionado na edição de maio de 2019 da Tendências em Química "Principais questões para dificultar um ânodo de metal de lítio prático."