Projeto racional do solvente eletrolítico multifuncional. As funções importantes de tolerância de alta voltagem (estabilidade à oxidação e formação de SEI) e não inflamabilidade são atribuídas a cada parte da estrutura molecular. Crédito:Zheng et al.
À luz da mudança contínua em direção às tecnologias de energia renovável e ao número crescente de dispositivos da Internet das Coisas (IoT), pesquisadores em todo o mundo têm tentado desenvolver baterias que possam operar com mais eficiência e por mais tempo. As baterias de íon-lítio (LIBs) são atualmente a tecnologia de armazenamento de energia preferida para eletrônicos portáteis, como eles contêm eletrólitos orgânicos, que normalmente permitem altas tensões de operação e densidades de energia.
Apesar de seu uso generalizado, aumentar ainda mais o desempenho dos LIBs existentes pode ter um impacto significativo em sua segurança. Na verdade, essas baterias contêm carbonatos orgânicos altamente voláteis e inflamáveis, que, se inflamado, pode causar danos consideráveis.
Nos últimos anos, pesquisadores têm feito esforços significativos para superar esses problemas de segurança, por exemplo, usando substâncias adicionais ou otimizando os materiais que separam os componentes da bateria. Embora algumas dessas estratégias tenham reduzido com sucesso o risco de a bateria pegar fogo, contanto que os LIBs sejam feitos com eletrólitos altamente inflamáveis, acidentes ainda podem ocorrer.
Na esperança de pavimentar o caminho para LIBs mais seguros e com melhor desempenho, pesquisadores da Universidade de Tóquio desenvolveram e sintetizaram recentemente um eletrólito alternativo à base de fosfato cíclico que não é inflamável. Seu eletrólito, apresentado em um artigo publicado em Nature Energy , permite seguro, operação altamente estável e alta tensão, superando os solventes contidos na maioria dos LIBs existentes.
"O solvente eletrolítico para baterias de íon-lítio (LIBs) não mudou por quase 30 anos, "Prof. Atsuo Yamada, um dos pesquisadores que desenvolveu o novo eletrólito, disse TechXplore. "Portanto, achamos que deve haver grande espaço para o desenvolvimento de LIBs avançados, se encontrarmos um solvente alternativo. Com isso em mente, sob a orientação do Prof. Makoto Gonokami, presidente da Universidade de Tóquio, estabelecemos uma colaboração com o Prof. Eiichi Nakamura, que é um pesquisador altamente estabelecido no campo da síntese orgânica, para projetar um novo solvente eletrolítico com o objetivo de aumentar o desempenho e a segurança da bateria. "
Yamada, Nakamura e seus colegas projetaram seu eletrólito à base de fosfato cíclico fundindo as estruturas químicas do solvente eletrólito convencional EC e um retardante de fogo. Isso dá as propriedades de fosfato de ambas as moléculas, incluindo a tolerância de alta tensão do solvente e a não inflamabilidade do retardador de fogo, minimizando o risco de incêndio dos LIBs.
Ao sintetizar o eletrólito, os pesquisadores descobriram que a fórmula mais eficaz continha 0,95 M LiN (SO 2 F) 2 no TFEP / 2, 2, Carbonato de 2-trifluoroetilmetil. Esta composição específica permitiu a síntese de um eletrólito com notável não inflamabilidade e um tempo de autoextinguível igual a zero, bem como operação estável de ânodos de grafite e LiNi de alta tensão 0,5 Mn 1,5 O 4 cátodos.
"Inesperadamente, o novo solvente eletrolítico pode aumentar a tensão da bateria da corrente 3,8 V para 4,6 V e também melhorar a vida útil da bateria, "O professor Yamada disse." Ficamos surpresos ao ver que o solvente projetado de fato mostrou tolerância a alta tensão e capacidade de retardar o fogo, como esperávamos de sua estrutura química. Mais importante, este é o primeiro caso em que tal projeto racional de estruturas químicas teve sucesso em eletrólitos de bateria. "
Yamada, Nakamura, e seus colegas estão entre os primeiros a identificar um solvente eletrolítico alternativo que pode aumentar a segurança dos LIBs e, ao mesmo tempo, aprimorar seu desempenho. No futuro, seu eletrólito cíclico à base de fosfato poderia ser usado para criar baterias seguras e altamente eficientes para uma ampla gama de dispositivos eletrônicos.
"Esperamos que nosso trabalho estimule muitos pesquisadores a projetar e desenvolver uma variedade de novos materiais para baterias melhores, "O Prof. Yamada disse." Agora planejamos continuar trabalhando neste novo solvente eletrolítico para aplicações de baterias comerciais e desenvolver novos materiais de baterias multifuncionais com base em nossa estratégia de design. "
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