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Uma equipe de pesquisadores descobriu um novo mecanismo para estabilizar o eletrodo de metal de lítio e eletrólito em baterias de metal de lítio. Esse novo mecanismo, que não depende da abordagem cinética tradicional, tem potencial para aumentar muito a densidade de energia – a quantidade de energia armazenada em relação ao peso ou volume – das baterias.
A equipe publicou suas descobertas na revista Energia da Natureza.
As baterias de metal de lítio são uma tecnologia promissora com potencial para atender às demandas de sistemas de armazenamento de alta densidade de energia. No entanto, devido à incessante decomposição de eletrólitos nessas baterias, sua eficiência coulombiana é baixa. A eficiência de Coulomb, também chamada de eficiência de corrente, descreve a eficiência pela qual os elétrons são transferidos na bateria. Portanto, uma bateria com alta eficiência Coulombiana tem um ciclo de vida mais longo.
“Este é o primeiro artigo a propor potencial de eletrodo e características estruturais relacionadas como métricas para projetar eletrólitos de baterias de lítio-metal, que são extraídos pela introdução de ciência de dados combinada com cálculos computacionais. Com base em nossas descobertas, vários eletrólitos, que permitem alta eficiência Coulombiana, foram facilmente desenvolvidos”, disse Atsuo Yamada, professor do Departamento de Engenharia de Sistemas Químicos da Universidade de Tóquio. O trabalho da equipe tem o potencial de oferecer novas oportunidades no projeto de eletrólitos de próxima geração para baterias de metal de lítio.
Nas baterias de íon de lítio, o íon de lítio se move do eletrodo positivo para o eletrodo negativo através do eletrólito durante a carga e volta ao descarregar. Ao introduzir eletrodos de alta densidade de energia, a densidade de energia da bateria pode ser melhorada. Nesse contexto, muitos estudos foram realizados nas últimas décadas para alterar o eletrodo negativo de grafite para lítio metálico. No entanto, o metal lítio possui uma alta reatividade, o que reduz o eletrólito em sua superfície. Por causa disso, o eletrodo de metal de lítio mostra uma baixa eficiência Coulombiana.
Para superar esse problema, os cientistas desenvolveram eletrólitos funcionais e aditivos eletrolíticos que formam uma película protetora de superfície. Esta interfase de eletrólito sólido tem um impacto na segurança e eficiência das baterias de lítio. A película protetora de superfície evita o contato direto entre o eletrólito e o eletrodo de metal de lítio, retardando cineticamente a redução do eletrólito. No entanto, até agora, os cientistas não haviam entendido completamente a correlação entre a interfase do eletrólito sólido e a eficiência coulombiana.
Os cientistas sabem que, se melhorarem a estabilidade da interfase do eletrólito sólido, podem retardar a decomposição do eletrólito e aumentar a eficiência coulombiana da bateria. Mas mesmo com tecnologias avançadas, os cientistas acham difícil analisar diretamente a química da interfase do eletrólito sólido. A maioria dos estudos sobre a interfase do eletrólito sólido tem sido realizada com metodologias indiretas. Esses estudos fornecem evidências indiretas, dificultando o desenvolvimento do metal lítio estabilizador de eletrólitos que leva a uma alta eficiência coulombiana.
A equipe de pesquisa determinou que, se eles pudessem aumentar o potencial de oxidação-redução do metal lítio em um sistema eletrolítico específico, eles poderiam diminuir a força motriz termodinâmica para reduzir o eletrólito e, assim, alcançar uma maior eficiência coulombiana. Essa estratégia raramente foi aplicada no desenvolvimento de baterias com lítio metálico. “O potencial termodinâmico de oxidação-redução do lítio metálico, que varia significativamente dependendo dos eletrólitos, é um fator simples, mas negligenciado, que influencia o desempenho da bateria de lítio metálico”, disse Atsuo Yamada.
A equipe estudou o potencial de oxidação-redução do metal lítio em 74 tipos de eletrólitos. Os pesquisadores introduziram um composto chamado ferroceno em todos os eletrólitos como um padrão interno recomendado pela IUPAC (União Internacional de Química Pura e Aplicada) para potenciais de eletrodos. A equipe provou que existe uma correlação entre o potencial de oxidação-redução do lítio metálico e a eficiência coulombiana. Eles obtiveram a alta eficiência Coulombiana com o potencial de redução de oxidação do lítio metálico.
Olhando para o trabalho futuro, o objetivo da equipe de pesquisa é desvendar o mecanismo racional por trás da mudança potencial de oxidação-redução com mais detalhes. “Vamos projetar o eletrólito garantindo uma eficiência Coulombiana superior a 99,95%. A eficiência Coulombiana do lítio metálico é inferior a 99%, mesmo com eletrólitos avançados. No entanto, é necessário pelo menos 99,95% para a comercialização de baterias à base de lítio metálico “, disse Atsuo Yamada.
Este estudo foi realizado em colaboração com o Instituto de Tecnologia de Nagoya.
Fonte da história:
Materiais fornecidos por Universidade de Tóquio. Nota: O conteúdo pode ser editado para estilo e duração.
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