p Pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA (Berkeley Lab) demonstraram em laboratório uma bateria de lítio-enxofre (Li / S) que tem mais do que o dobro da energia específica das baterias de íon-lítio, e isso dura mais de 1, 500 ciclos de carga-descarga com deterioração mínima da capacidade da bateria. Este é o ciclo de vida mais longo relatado até agora para qualquer bateria de lítio-enxofre. p A demanda por baterias de alto desempenho para veículos elétricos e híbridos elétricos capazes de corresponder ao alcance e à potência do motor de combustão incentiva os cientistas a desenvolver novos produtos químicos para baterias que possam fornecer mais potência e energia do que as baterias de íon-lítio, atualmente, a química de bateria com melhor desempenho no mercado.

p Para que os veículos elétricos tenham um alcance de 300 milhas, a bateria deve fornecer uma energia específica de nível de célula de 350 a 400 Watt-hora / quilograma (Wh / kg). Isso exigiria quase o dobro da energia específica (cerca de 200 Wh / kg) das baterias de íon de lítio atuais. As baterias também precisam ter pelo menos 1, 000, e de preferência 1, 500 ciclos de carga-descarga sem mostrar uma potência perceptível ou perda de capacidade de armazenamento de energia.

p "Nossas células podem fornecer uma oportunidade substancial para o desenvolvimento de veículos de emissão zero com uma autonomia semelhante à dos veículos a gasolina." diz Elton Cairns, da Divisão de Tecnologias de Energia Ambiental (EETD).

p Os resultados foram relatados no jornal Nano Letras .

p Benefícios do enxofre de lítio, e desafios

p "A química da bateria de lítio-enxofre tem chamado a atenção porque tem uma energia específica teórica muito mais alta do que as baterias de íon-lítio, "diz Cairns." Baterias de lítio-enxofre também seriam desejáveis ​​porque o enxofre não é tóxico, seguro e barato, ", acrescenta. As baterias de Li / S seriam mais baratas do que as baterias de íon de lítio atuais, e seriam menos propensos a problemas de segurança que afetam as baterias de íon-lítio, como superaquecimento e incêndio.

p O desenvolvimento da bateria de lítio-enxofre também tem seus desafios. Durante a descarga, os polissulfetos de lítio tendem a se dissolver do cátodo nos eletrólitos e reagir com o ânodo de lítio formando uma camada de barreira de Li2S. Essa degradação química é uma das razões pelas quais a capacidade da célula começa a enfraquecer após apenas alguns ciclos.

p Outro problema com as baterias de Li / S é que a reação de conversão de enxofre em Li2S e vice-versa faz com que o volume do eletrodo de enxofre inche e contraia até 76 por cento durante a operação da célula, o que leva à degradação mecânica dos eletrodos. Conforme o eletrodo de enxofre se expande e encolhe durante o ciclo, as partículas de enxofre podem ficar eletricamente isoladas do coletor de corrente do eletrodo.

p O design holístico da célula trata da degradação química e mecânica

p O protótipo de célula projetado pela equipe de pesquisa usa várias tecnologias eletroquímicas para resolver essa variedade de problemas. O cátodo é composto de óxido de enxofre-grafeno (S-GO), um material desenvolvido pela equipe que pode acomodar a mudança de volume do material ativo do eletrodo conforme o enxofre é convertido em Li2S na descarga, e de volta ao enxofre elementar na recarga.

p Para reduzir ainda mais a degradação mecânica da mudança de volume durante a operação, a equipe usou um aglutinante elastomérico. Ao combinar o aglutinante de borracha de estireno butadieno elastomérico (SBR) com um agente espessante, o ciclo de vida e a densidade de energia da célula da bateria aumentaram substancialmente em relação às baterias que usam ligantes convencionais.

p Para resolver o problema da dissolução do polissulfeto e da degradação química, a equipe de pesquisa aplicou um revestimento de surfactante de brometo de cetiltrimetilamônio (CTAB) que também é usado em sistemas de entrega de drogas. tintas, e outros processos químicos. O revestimento CTAB no eletrodo de enxofre reduz a capacidade do eletrólito de penetrar e dissolver o material do eletrodo.

p Além disso, a equipe desenvolveu um novo eletrólito à base de líquido iônico. O novo eletrólito inibe a dissolução de polissulfetos e ajuda a bateria a operar em alta taxa, aumentando a velocidade em que a bateria pode ser carregada, e a potência que pode fornecer durante a descarga. O eletrólito à base de líquido iônico também melhora significativamente a segurança da bateria Li-S, já que os líquidos iônicos são não voláteis e não inflamáveis.

p A bateria inicialmente mostrou uma energia específica da célula estimada em mais de 500 Wh / kg e a manteve em> 300 Wh / kg após 1, 000 ciclos - muito mais do que as células de íon-lítio disponíveis atualmente, que atualmente em média cerca de 200 Wh / kg.

p "É a combinação única desses elementos na química e no design da célula que levou a uma célula de lítio-enxofre cujo desempenho nunca foi alcançado em laboratório antes - longa vida, capacidade de alta taxa, e energia específica de alto nível de célula, "diz Cairns.

p A equipe está agora buscando suporte para o desenvolvimento contínuo da célula Li / S, incluindo maior utilização de enxofre, operação sob condições extremas, e aumento de escala. Procuram-se parcerias com a indústria.

p As próximas etapas no desenvolvimento são aumentar ainda mais a densidade de energia da célula, melhorar o desempenho da célula em condições extremas, e escalar para células maiores.