Uma bateria de íon de lítio é mostrada usando um novo e promissor sistema de catodo e eletrólito que substitui metais caros e eletrólito líquido tradicional por fluoretos de metal de transição de baixo custo e um eletrólito de polímero sólido. Crédito:Allison Carter
A crescente popularidade das baterias de íon de lítio nos últimos anos colocou uma pressão no suprimento mundial de cobalto e níquel - dois metais essenciais aos designs atuais das baterias - e fez os preços dispararem.
Em uma tentativa de desenvolver projetos alternativos para baterias à base de lítio com menos dependência desses metais escassos, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia desenvolveram um novo e promissor sistema de catodo e eletrólito que substitui metais caros e eletrólito líquido tradicional por fluoretos de metal de transição de baixo custo e um eletrólito de polímero sólido.
"Eletrodos feitos de fluoretos de metais de transição há muito mostram problemas de estabilidade e falha rápida, levando a um ceticismo significativo sobre sua capacidade de ser usado em baterias de próxima geração, "disse Gleb Yushin, professor da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech. "Mas mostramos que, quando usado com um eletrólito de polímero sólido, os fluoretos de metal mostram estabilidade notável - mesmo em temperaturas mais altas - o que poderia eventualmente levar a um ambiente mais seguro, baterias de íon de lítio mais leves e mais baratas. "
Em uma bateria de íon de lítio típica, a energia é liberada durante a transferência de íons de lítio entre dois eletrodos - um ânodo e um cátodo, com um cátodo tipicamente compreendendo lítio e metais de transição, como cobalto, níquel e manganês. Os íons fluem entre os eletrodos através de um eletrólito líquido.
Para o estudo, que foi publicado em 9 de setembro no jornal Materiais da Natureza e patrocinado pelo Gabinete de Pesquisa do Exército, a equipe de pesquisa fabricou um novo tipo de cátodo de material ativo de fluoreto de ferro e um nanocompósito de eletrólito de polímero sólido. Os fluoretos de ferro têm mais do que o dobro da capacidade de lítio dos catodos tradicionais à base de cobalto ou níquel. Além disso, o ferro é 300 vezes mais barato que o cobalto e 150 vezes mais barato que o níquel.
Para produzir tal cátodo, os pesquisadores desenvolveram um processo para infiltrar um eletrólito de polímero sólido no eletrodo de fluoreto de ferro pré-fabricado. Eles então prensaram a quente toda a estrutura para aumentar a densidade e reduzir os vazios.
Gleb Yushin, professor da Escola de Ciência e Engenharia de Materiais da Georgia Tech e Kostiantyn Turcheniuk, cientista pesquisador no laboratório de Yushin, inspecione uma bateria usando um novo projeto de cátodo que substitui metais caros e eletrólito líquido tradicional por fluoretos de metal de transição de custo mais baixo e um eletrólito de polímero sólido. Crédito:Allison Carter
Duas características centrais do eletrólito à base de polímero são sua capacidade de flexionar e acomodar o inchaço do fluoreto de ferro durante o ciclo e sua capacidade de formar uma interfase muito estável e flexível com o fluoreto de ferro. Tradicionalmente, que o inchaço e as reações colaterais massivas têm sido os principais problemas com o uso de fluoreto de ferro em projetos anteriores de baterias.
"Os cátodos feitos de fluoreto de ferro têm um potencial enorme devido à sua alta capacidade, custos de material baixos e disponibilidade muito ampla de ferro, "Yushin disse." Mas as mudanças de volume durante o ciclo, bem como as reações colaterais parasitas com eletrólitos líquidos e outros problemas de degradação limitaram seu uso anteriormente. Usar um eletrólito sólido com propriedades elásticas resolve muitos desses problemas. "
Os pesquisadores então testaram várias variações das novas baterias de estado sólido para analisar seu desempenho ao longo de mais de 300 ciclos de carga e descarga a uma temperatura elevada de 122 graus Fahrenheit, observando que eles superaram os projetos anteriores usando fluoreto de metal, mesmo quando estes foram mantidos resfriados em temperatura ambiente.
Os pesquisadores descobriram que a chave para o desempenho aprimorado da bateria era o eletrólito de polímero sólido. Em tentativas anteriores de usar fluoretos de metal, acreditava-se que os íons metálicos migraram para a superfície do cátodo e, eventualmente, se dissolveram no eletrólito líquido, causando uma perda de capacidade, particularmente em temperaturas elevadas. Além disso, fluoretos de metal catalisaram a decomposição maciça de eletrólitos líquidos quando as células operavam acima de 100 graus Fahrenheit. Contudo, na conexão entre o eletrólito sólido e o cátodo, tal dissolução não ocorre e o eletrólito sólido permanece notavelmente estável, prevenindo tais degradações, os pesquisadores escreveram.
"O eletrólito de polímero que usamos era muito comum, mas muitos outros eletrólitos sólidos e outras arquiteturas de bateria ou eletrodo - como morfologias de partícula de núcleo-casca - devem ser capazes de mitigar dramaticamente ou mesmo prevenir totalmente reações colaterais parasitas e atingir características de desempenho estáveis, "disse Kostiantyn Turcheniuk, cientista pesquisador no laboratório de Yushin e co-autor do manuscrito.
No futuro, os pesquisadores pretendem desenvolver eletrólitos sólidos novos e aprimorados para permitir o carregamento rápido e também combinar eletrólitos sólidos e líquidos em novos projetos que sejam totalmente compatíveis com as tecnologias convencionais de fabricação de células empregadas em grandes fábricas de baterias.
