O carregamento resulta em cátions metálicos duplamente ou triplamente carregados, como Mg2 + (esferas laranja), junto com íons de lítio com carga única (esferas verdes) sendo co-inseridos do eletrólito no material anódico de silício (esferas azuis). Este processo estabiliza o ânodo, permitindo a ciclagem de longo prazo das baterias de íon-lítio. Crédito:Laboratório Nacional de Argonne
A nova mistura de eletrólitos da Argonne estabiliza os ânodos de silício durante o ciclo.
A bateria de íons de lítio é onipresente. Por causa de sua versatilidade, esta bateria pode ser adaptada para alimentar telefones celulares, laptops, ferramentas elétricas ou veículos elétricos. Agora é a fonte de uma empresa multibilionária anual que continua a crescer a cada ano.
Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma nova mistura de eletrólitos e um aditivo simples que pode ter um lugar na próxima geração de baterias de íon-lítio.
Por muitas décadas, os cientistas têm procurado vigorosamente por novos materiais de eletrodo e eletrólitos que possam produzir uma nova geração de baterias de íon-lítio que oferecem armazenamento de energia muito maior e duram mais, custando menos e sendo mais seguro. Esta nova geração provavelmente tornará os veículos elétricos mais difundidos e acelerará a expansão da rede elétrica em energia renovável por meio de armazenamento de energia mais barato e confiável.
Para cientistas que desenvolvem baterias de íon de lítio avançadas, o ânodo de silício tem sido o candidato preeminente para substituir o ânodo de grafite atual. O silício tem uma vantagem teórica significativa de capacidade de armazenamento de energia sobre a grafite, sendo capaz de armazenar quase dez vezes o lítio que o grafite. O aumento da atratividade do silício comercialmente é o seu baixo custo. É o segundo material mais abundante na crosta terrestre, e sua prevalência em hardware de computação e telecomunicações significa que existem tecnologias de processamento substanciais.
"Mas uma pedra de tropeço permaneceu, "observou Jack Vaughey, um químico sênior na divisão de Ciências Químicas e Engenharia (CSE) da Argonne. "No ciclismo, um ânodo à base de silício em uma célula de íon-lítio torna-se muito reativo com o eletrólito, e este processo degrada a célula ao longo do tempo, causando um ciclo de vida encurtado. "
Os eletrólitos da bateria de íon-lítio atualmente contêm uma mistura de solvente, com um sal de lítio dissolvido e pelo menos um, frequentemente mais de três aditivos orgânicos. Os cientistas de Argonne desenvolveram uma estratégia única de aditivo de eletrólito - uma pequena quantidade de um segundo sal contendo qualquer um dos vários cátions metálicos duplamente ou triplamente carregados (Mg 2+ , Ca 2+ , Zn 2+ , ou Al 3+ ) Essas misturas de eletrólitos aprimoradas, chamados coletivamente de "MESA" (que significa eletrólitos de sal misto para ânodos de silício), dar aos ânodos de silício maiores estabilidades de superfície e volume, melhorando o ciclo de longo prazo e a vida útil do calendário.
"Testamos exaustivamente as formulações de MESA com células completas fabricadas com eletrodos padrão comercialmente relevantes, "disse Baris Key, um químico na divisão CSE. "A nova química é simples, escalável e totalmente compatível com a tecnologia de bateria existente. "
"Neste projeto, nós nos beneficiamos muito da Análise de Células de Argonne, Instalação de modelagem e prototipagem (CAMP), "acrescentou Vaughey." Foi lá que testamos nossas formulações de MESA. "
Os pesquisadores de Argonne também investigaram como funcionam os eletrólitos contendo MESA. Durante o carregamento, as adições de cátions metálicos na solução de eletrólito migram para o ânodo à base de silício junto com os íons de lítio para formar fases de lítio-metal-silício, que são mais estáveis do que o lítio-silício. Essa nova química celular reduz bastante as reações colaterais prejudiciais entre o ânodo de silício e o eletrólito que afetaram as células com o eletrólito tradicional. Dos quatro sais de metal testados nas células, os sais de eletrólito adicionados com magnésio (Mg 2+ ) ou cálcio (Ca 2+ ) cátions provaram funcionar melhor em centenas de ciclos de carga-descarga. As densidades de energia obtidas com essas células ultrapassaram as de células comparáveis com química de grafite em até 50%.
"Com base nesses resultados de teste, "disse Key, "Temos todos os motivos para acreditar que, se os ânodos de silício alguma vez substituirem a grafite ou constituírem o ânodo em mais do que uma concentração percentual, esta invenção fará parte dela e poderá ter um impacto de longo alcance. "
