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A pesquisa conduzida pelo Vilas Pol Energy Research Group (ViPER) da Purdue University mostra-se promissora para o desenvolvimento de baterias de lítio-metal recarregáveis de alta densidade de energia e para o tratamento da instabilidade de oxidação eletroquímica de eletrólitos à base de éter.
A pesquisa foi publicada na edição de 10 de fevereiro da Natureza Comunicações, uma revista científica de acesso aberto, revisada por pares, publicada pela Nature Portfolio. Zheng Li, um assistente de pesquisa de pós-graduação na Davidson School of Chemical Engineering, foi o principal autor.
O foco do ViPER Group é o projeto e a fabricação de materiais de alta capacidade para sistemas de bateria de íon de lítio, lítio-enxofre, íon de sódio, de estado sólido e de temperatura ultrabaixa mais seguros.
“O rápido crescimento das tecnologias de armazenamento de energia destinadas a reduzir as metas propostas de emissão de carbono e as enormes demandas de sistemas de armazenamento de energia também existem nos mercados de veículos eletrônicos e elétricos de consumo. Eles exigem baterias de Li de próxima geração com maior densidade de energia com maior segurança, ” diz Vilas Pol, professor de engenharia química que liderou os principais laboratórios de Purdue para fabricação de baterias, testes de segurança eletroquímica e térmica desde 2014.
Substituir o material de ânodo de grafite convencional por metal de lítio de alta energia é uma abordagem muito promissora. No entanto, este material de ânodo “santo graal” sofre de desvantagens desafiadoras de baixa ciclabilidade e segurança, etc.
“Do ponto de vista da pesquisa fundamental sobre novas tecnologias LMB, é fundamental desenvolver meticulosamente a química adequada de eletrólito líquido que funcione com ânodos e cátodos promissores”, disse Pol.
Em seu estudo, os pesquisadores demonstraram que o eletrólito à base de éter de baixa concentração pode suportar com sucesso a operação de alta tensão (4,3 V) de longo prazo do LMB prático em configurações viáveis da indústria, ao usar o éter dipropílico altamente apolar como solvente do eletrólito.
“Realizar o ciclo de longo prazo do ânodo de metal Li e do cátodo de alta voltagem simultaneamente com o eletrólito à base de éter diluído é o principal desafio deste estudo”, disse Li. “Os éteres têm baixa estabilidade à oxidação, apesar de suas compatibilidades razoáveis com o ânodo de metal Li. Nosso objetivo era, portanto, estender suas capacidades de alta voltagem. Do nível molecular, confirmamos as correlações essenciais entre os comportamentos de solvatação de eletrólitos à base de éter diluído e seu desempenho em eletrodo positivo de alta tensão.”
As correlações foram posteriormente interpretadas por meio de simulações detalhadas de dinâmica molecular clássica (MD) e cálculos de teoria funcional de densidade (DFT) juntamente com análises experimentais multimodais. Foi demonstrado que a regulação da estrutura de solvatação de eletrólitos à base de éter pode reorganizar a ordem de degradação das espécies de solvatação e formar seletivamente uma proteção robusta na superfície do cátodo. Também ajusta a composição da dupla camada elétrica superficial para evitar a oxidação do éter.
Essa abordagem exclusiva de supressão cinética difere das estratégias convencionais, como o uso de eletrólito de concentração ultra-alta ou a introdução de fluoração molecular para melhorar a estabilidade do eletrólito, o que aumenta drasticamente o custo da bateria. Espera-se que o LMB desenvolvido pelo grupo ViPER melhore 40% da densidade de energia, em comparação com as baterias convencionais de íons de lítio.
O trabalho de pesquisa é financiado pelo Naval Enterprise Partnership Teaming with Universities for National Excellence (NEPTUNE), Office of Naval Research.
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