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As baterias recarregáveis de íon-lítio alimentam telefones, laptops, outros eletrônicos pessoais e carros elétricos, e são até usadas para armazenar energia gerada por painéis solares. Mas se a temperatura dessas baterias subir muito, elas param de funcionar e podem pegar fogo.
Isso ocorre em parte porque o eletrólito dentro deles, que transporta íons de lítio entre os dois eletrodos à medida que a bateria carrega e descarrega, é inflamável.
“Um dos maiores desafios na indústria de baterias é essa questão de segurança, então há muito esforço para tentar fazer um eletrólito de bateria que seja seguro”, disse Rachel Z Huang, estudante de pós-graduação na Universidade de Stanford e primeira autora de um relatório publicado em 30 de novembro em Matéria.
Huang desenvolveu um eletrólito não inflamável para baterias de íon-lítio com 19 outros pesquisadores do SLAC National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia e da Universidade de Stanford. Seu trabalho demonstrou que as baterias que contêm esse eletrólito continuam a funcionar em altas temperaturas sem iniciar um incêndio.
O segredo deles? Mais sal.
Salgado SEGURANÇA
Os eletrólitos convencionais das baterias de íons de lítio são feitos de um sal de lítio dissolvido em um solvente orgânico líquido, como éter ou carbonato. Embora esse solvente melhore o desempenho da bateria ajudando a movimentar os íons de lítio, também é um potencial iniciador de incêndio.
As baterias geram calor enquanto operam. E se houver furos ou defeitos em uma bateria, ela esquentará rapidamente. Em temperaturas acima de 140 graus F, as pequenas moléculas de solvente no eletrólito começam a evaporar, transformando-se de líquido em gás e inflando uma bateria como um balão – até que o gás pegue fogo e tudo pegue fogo.
Nos últimos 30 anos, os pesquisadores desenvolveram eletrólitos não inflamáveis, como eletrólitos poliméricos, que usam uma matriz polimérica em vez da clássica solução sal-solvente para movimentar os íons. No entanto, essas alternativas mais seguras não movem os íons de forma tão eficiente quanto os solventes líquidos, portanto, seu desempenho não se compara ao dos eletrólitos convencionais.
A equipe queria produzir um eletrólito à base de polímero que pudesse oferecer segurança e desempenho. E Huang teve uma ideia.
Ela decidiu adicionar o máximo possível de um sal de lítio chamado LiFSI a um eletrólito à base de polímero projetado e sintetizado por Jian-Cheng Lai, pós-doutorando na Universidade de Stanford e co-primeiro autor do artigo.
“Eu só queria ver quanto poderia adicionar e testar o limite”, disse Huang. Normalmente, menos de 50% do peso de um eletrólito à base de polímero é sal. Huang aumentou esse número para 63%, criando um dos eletrólitos à base de polímeros mais salgados de todos os tempos.
Ao contrário de outros eletrólitos à base de polímeros, este também continha moléculas de solventes inflamáveis. No entanto, o eletrólito geral, conhecido como eletrólito não inflamável ancorado em solvente (SAFE), provou ser não inflamável em altas temperaturas durante testes em uma bateria de íons de lítio.
SAFE funciona porque os solventes e o sal trabalham juntos. As moléculas de solvente ajudam a conduzir íons, resultando em desempenho comparável ao de baterias contendo eletrólitos convencionais. Mas, em vez de falhar em altas temperaturas como a maioria das baterias de íon-lítio, as baterias contendo SAFE continuam a operar em temperaturas entre 77-212 graus F.
Enquanto isso, os sais abundantes adicionados atuam como âncoras para as moléculas do solvente, evitando que evaporem e peguem fogo.
“Esta nova descoberta aponta uma nova maneira de pensar para o projeto de eletrólitos baseados em polímeros”, disse Zhenan Bao, professor da Universidade de Stanford e investigador do Instituto Stanford de Ciências de Materiais e Energia (SIMES), que aconselha Huang. “Este eletrólito é importante para o desenvolvimento de futuras baterias que sejam seguras e de alta densidade energética.”
Ficar pegajoso
Os eletrólitos à base de polímeros podem ser sólidos ou líquidos. É importante ressaltar que os solventes e o sal do SAFE plastificam sua matriz de polímero para torná-lo um líquido semelhante a uma gosma, assim como os eletrólitos convencionais.
Um benefício: um eletrólito pegajoso pode caber em peças existentes de baterias de íon-lítio disponíveis comercialmente, ao contrário de outros eletrólitos não inflamáveis que surgiram. Eletrólitos cerâmicos de estado sólido, por exemplo, devem usar eletrodos especialmente projetados, tornando sua produção cara.
“Com o SAFE, não há necessidade de alterar nenhuma configuração de fabricação”, disse Huang. “É claro que, se for usado para produção, haverá otimizações necessárias para que o eletrólito caiba na linha de produção, mas o trabalho é muito menor do que qualquer um dos outros sistemas.”
Yi Cui, professor do SLAC e de Stanford e investigador do SIMES que também aconselha Huang, disse: “Este novo eletrólito de bateria muito empolgante é compatível com a tecnologia de célula de bateria de íon de lítio existente e causaria grandes impactos nos eletrônicos de consumo e no transporte elétrico. “
Uma aplicação do SAFE pode ser em carros elétricos.
Se as múltiplas baterias de íon-lítio em um carro elétrico ficarem muito próximas umas das outras, elas podem aquecer umas às outras, o que pode levar a superaquecimento e incêndio. Mas, se um carro elétrico contiver baterias com um eletrólito como o SAFE, que é estável em altas temperaturas, suas baterias podem ser embaladas juntas sem a preocupação de superaquecimento.
Além de reduzir o risco de incêndio, isso significa menos espaço ocupado por sistemas de refrigeração e mais espaço para baterias. Mais baterias aumentam a densidade geral de energia, o que significa que o carro pode durar mais tempo entre o carregamento.
“Portanto, não é apenas um benefício de segurança”, disse Huang. “Este eletrólito também pode permitir que você embale muito mais baterias.”
O tempo dirá quais outros produtos alimentados por bateria podem se tornar um pouco mais SEGUROS.
Esta pesquisa foi financiada pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE no âmbito do Programa de Pesquisa de Materiais de Bateria e do Consórcio Battery 500.
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