As baterias são geralmente estudadas através de propriedades elétricas como tensão e corrente, mas novas pesquisas sugerem que a observação de como o calor flui em conjunto com a eletricidade pode fornecer informações importantes sobre a química das baterias.



Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign demonstrou como estudar as propriedades químicas das células de bateria de íons de lítio explorando o efeito Peltier, no qual a corrente elétrica faz com que um sistema absorva calor. Relatado na revista Physical Chemistry Chemical Physics , esta técnica permitiu medir experimentalmente a entropia do eletrólito de íons de lítio, uma característica termodinâmica que poderia informar diretamente o projeto da bateria de íons de lítio.

"Nosso trabalho é compreender a termodinâmica fundamental dos íons de lítio dissolvidos, informações que esperamos que orientem o desenvolvimento de melhores eletrólitos para baterias", disse David Cahill, professor de ciência e engenharia de materiais da U. of I. e líder do projeto. “Medir o transporte acoplado de carga elétrica e calor no efeito Peltier nos permite deduzir a entropia, uma quantidade que está intimamente relacionada à estrutura química dos íons dissolvidos e como eles interagem com outras partes da bateria”.

O efeito Peltier é bem estudado em sistemas de estado sólido onde é utilizado em resfriamento e refrigeração. No entanto, permanece amplamente inexplorado em sistemas iônicos como o eletrólito de lítio. A razão é que as diferenças de temperatura criadas pelo aquecimento e resfriamento Peltier são pequenas em comparação com outros efeitos.

Para superar essa barreira, os pesquisadores utilizaram um sistema de medição capaz de resolver um centésimo milésimo de grau Celsius. Isso permitiu aos pesquisadores medir o calor entre as duas extremidades da célula e usá-lo para calcular a entropia do eletrólito de íon-lítio na célula.

“Estamos medindo uma propriedade macroscópica, mas ainda revela informações importantes sobre o comportamento microscópico dos íons”, disse Rosy Huang, estudante de graduação do grupo de pesquisa de Cahill e coautora principal do estudo. "As medições do efeito Peltier e da entropia da solução estão intimamente ligadas à estrutura de solvatação. Anteriormente, os pesquisadores de baterias dependiam de medições de energia, mas a entropia forneceria um complemento importante a essa informação que daria uma imagem mais completa do sistema."

Os pesquisadores exploraram como o fluxo de calor Peltier mudou com a concentração de íons de lítio, tipo de solvente, material do eletrodo e temperatura. Em todos os casos, eles observaram que o fluxo de calor era oposto à corrente iônica na solução, implicando que a entropia da dissolução dos íons de lítio é menor que a entropia do lítio sólido.

A capacidade de medir a entropia de soluções eletrolíticas de íons de lítio pode fornecer informações importantes sobre a mobilidade dos íons, governando o ciclo de recarga da bateria, e como a solução interage com os eletrodos, um fator importante na vida útil da bateria.

"Um aspecto subestimado do design da bateria é que o eletrólito líquido não é quimicamente estável quando em contato com os eletrodos", disse Cahill. "Ele sempre se decompõe e forma algo chamado interfase de eletrólito sólido. Para tornar uma bateria estável durante ciclos longos, você precisa entender a termodinâmica dessa interfase, que é o que nosso método ajuda a fazer."

Zhe Cheng é o segundo co-autor principal do estudo. Beniamin Zahiri, Patrick Kwon e o professor de ciência e engenharia de materiais da U. of I. Paul Braun também contribuíram para este trabalho.

Mais informações: Zhe Cheng et al, Efeito Peltier Iônico em eletrólitos de íons de lítio, Físico-Química, Física Química (2024). DOI:10.1039/D3CP05998G
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Fornecido pela Faculdade de Engenharia Grainger da Universidade de Illinois