A maioria das baterias de íon de lítio (LIBs) existentes integram ânodos de grafite, que têm uma capacidade de aproximadamente 350 miliamperes-hora (mAh) por grama. A capacidade dos ânodos de silício é quase 10 vezes maior do que a de suas contrapartes de grafite (cerca de 2, 800 mAh por grama), e poderia, assim, teoricamente permitir o desenvolvimento de baterias à base de lítio mais compactas e mais leves.

Apesar de sua maior capacidade, ânodos de silício até agora não conseguiram competir com ânodos de grafite, conforme o silício se expande e se contrai durante a operação da bateria, portanto, a camada protetora externa dos ânodos pode rachar facilmente enquanto a bateria está funcionando. Em um artigo recente publicado em Nature Energy , uma equipe de pesquisadores do University of Maryland College Park e do Laboratório de Pesquisa do Exército relatou um novo projeto de eletrólito que poderia superar as limitações dos ânodos de silício existentes.

"Os ânodos de silício e suas camadas de proteção de interfase de eletrólito sólido (SEI) são mais fáceis de pulverizar durante a operação da bateria, porque o SEI se liga fortemente ao Si, então ambos experimentam um grande volume de mudanças, "Ji Chen, um dos principais pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org.

O SEI é uma camada protetora que se forma naturalmente quando as partículas do ânodo estão em contato direto com um eletrólito. Esta camada serve como uma barreira que evita que outras reações ocorram dentro da bateria, separar o ânodo do eletrólito.

"Se esta camada protetora for danificada durante a expansão ou contração das partículas do ânodo de Si, as partículas de ânodo recém-expostas reagem continuamente com o eletrólito até que ele se esgote durante o ciclo da bateria, "Oleg Borodin, um químico sênior envolvido no estudo do Laboratório de Pesquisa do Exército, disse a Phys.org.

Por mais de uma década, grupos de pesquisa em todo o mundo têm tentado superar os problemas que impedem o uso de ânodos de silício em LIBs, principalmente projetando SEIs flexíveis e orgânicos que se expandem com os ânodos. A maioria das soluções que desenvolveram, Contudo, provaram ser totalmente ineficazes ou moderadamente eficazes, assim, evitando apenas parcialmente os danos SEI.

"Por muito tempo, a comunidade de pesquisa LIB tem tentado desenvolver técnicas para fazer funcionar ânodos de alta capacidade como o Si, "disse Chunsheng Wang, um professor do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular e do Departamento de Química e Bioquímica da Universidade de Maryland (UMD), que também é o Diretor UMD do Centro de Pesquisa em baterias extremas. "Esses pesquisadores estavam trabalhando principalmente no nível do material de Si, introduzindo processos caros de nanofabricação. Tentamos resolver esse problema de maneira diferente, projetando o eletrólito e o SEI correspondente para ânodos de alta capacidade."

Chen, Borodin, Wang e seus colegas projetaram um eletrólito que poderia melhorar o desempenho de ânodos de silício microssized em LIBs, evitando danos à sua barreira protetora externa. Em comparação com as soluções propostas anteriormente, sua abordagem minimiza substancialmente a degradação do eletrólito, permitindo assim um ciclo muito mais longo da bateria antes que ela perca sua capacidade.

O objetivo final do estudo dos pesquisadores era identificar um universal, solução drop-in que poderia facilitar o desenvolvimento de ânodos de alta capacidade para baterias baseadas em lítio. Para alcançar isto, eles projetaram eletrólitos usando LiPF ₆ , um sal de última geração, e uma mistura de solventes de éter, formando uma camada protetora SEI rica em LiF muito robusta.

"A estrutura de solvatação especial (interação entre o sal e o solvente) e a grande lacuna entre a tendência de redução do sal e do solvente promove a formação de um SEI em Si único rico em LiF que é superútil para o ciclo de alta capacidade Ânodos de Si, "Oleg explicou." O eletrólito que projetamos fornece uma solução drop-in para a tecnologia LIB atual sem exigir um processamento caro, ao mesmo tempo em que mantém uma alta estabilidade de ciclagem e eficiência Coulombic (CE) sem precedentes. "

O estudo recente de Chen, Borodin, Wang e seus colegas provam que alcançar um bom ciclo e alto CE em LIBs contendo ânodos de silício é, na verdade, possível, e que isso pode ser alcançado simplesmente substituindo o eletrólito dentro de uma bateria, o que antes era considerado impraticável ou totalmente inviável. O princípio por trás de seu projeto de eletrólito também poderia, teoricamente, ser aplicado a todos os ânodos de liga de alta capacidade. No futuro, este projeto pode permitir a criação de baterias de lítio de melhor desempenho que contêm ânodos baseados em materiais diferentes de grafite.

"Nossas descobertas apontam uma nova direção para o projeto de eletrólitos e podem dar às equipes de pesquisa em todo o mundo confiança na aplicação de materiais de ânodo de alta capacidade em LIBs, Wang disse. "Nossos próximos passos serão melhorar a janela de tensão do eletrólito e tentar licenciar a tecnologia para os fabricantes de baterias."

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