Aditivo estudado no CINE melhora as propriedades de eletrólito para baterias de lítio-metal
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Um estudo recente do CINE mostrou que a adição de um cristal líquido iônico a um solvente amplamente usado como eletrólito de baterias de lítio-metal torna o composto mais estável quimicamente, além de melhorar a sua condutividade iônica. Com essas propriedades, o eletrólito aditivado se mostra promissor para produzir baterias mais duráveis, mais seguras e de melhor desempenho.
Desenvolver eletrólitos mais estáveis, de fato, é um dos grandes desafios da pesquisa em baterias, principalmente com relação às promissoras baterias de lítio-metal. Ainda em desenvolvimento, essa tecnologia, que inclui as baterias de lítio-oxigênio, é capaz de superar amplamente a tecnologia de íons de lítio, a mais usada atualmente, quanto à quantidade de energia que consegue armazenar. Porém, ela esbarra na instabilidade do eletrólito.
O eletrólito de uma bateria, vale lembrar, é o componente que está em contato com os dois eletrodos. Muitas vezes, como no caso deste estudo, trata-se de uma solução líquida formada por um solvente e sais. A sua função principal é fornecer ativamente o caminho para que os íons se desloquem entre os eletrodos transportando cargas elétricas – processo essencial à carga e descarga da bateria. Por isso, os eletrólitos de baterias precisam ser bons condutores iônicos, além de quimicamente estáveis.
De fato, a baixa estabilidade química torna o eletrólito mais suscetível a formar compostos indesejados, e às vezes tóxicos, que podem danificar outros componentes da bateria, vazar ou provocar seu aquecimento ou explosão. “Um exemplo de eletrólitos que formam componentes indesejados é quando observamos uma bateria com um certo tempo de uso e ela aparenta estar dilatada ou inchada”, ilustra Tuanan Lourenço, primeiro autor do artigo que reporta o trabalho do CINE no Journal of Materials Chemistry A.
A pesquisa reuniu nove membros de dois programas de pesquisa do CINE, o de Ciência Computacional de Materiais e Química (CMSC) e o de Armazenamento Avançado de Energia (AES) . “Como as equipes possuem diferentes formações e experiências, as reuniões foram muito proveitosas, pois cada um conseguia interpretar os dados de pontos de vistas distintos e complementares”, conta Tuanan. De acordo com ele, as discussões geraram ideias inovadoras, tanto para o desenho de novos experimentos ou cálculos quanto para interpretar os dados já obtidos.
No paper, os autores relatam a investigação das propriedades de um eletrólito baseado no solvente orgânico DMSO, frequentemente usado em baterias de lítio-metal, aditivado com um cristal líquido iônico baseado no composto orgânico imidazol. Cristais líquidos iônicos são sais que se assemelham aos líquidos iônicos por se apresentarem em estado líquido em temperatura ambiente, mas diferem deles por exibirem fases sólidas cristalinas.
Usando ferramentas computacionais e técnicas experimentais, os autores estudaram detalhadamente os efeitos da adição do cristal líquido iônico nas propriedades físicas, eletroquímicas e estruturais do eletrólito e conseguiram estabelecer qual é a proporção ideal de aditivo com relação ao solvente.
“Com os experimentos nós observamos o que está acontecendo com o sistema de uma maneira macroscópica, obtemos as medidas das propriedades para a matéria como ela é, já que não estamos utilizando nenhum modelo para representar o sistema”, explica Tuanan, que é bolsista de pós-doutorado no CMSC – CINE. “Já com as simulações computacionais, nós podemos obter as informações mais detalhadas de um ponto de vista atomístico, observando como os átomos estão organizados, como estão interagindo”, completa.
O trabalho mostrou que a adição do cristal líquido iônico em determinada medida aumenta tanto a estabilidade química quanto a condutividade do eletrólito. “Em termos práticos, se temos uma estabilidade química e condutividade maior, temos um eletrólito com uma melhor performance, e podemos talvez ter uma bateria com uma performance superior”, resume Tuanan.
Os testes do eletrólito dentro de uma bateria não foram reportados neste artigo, que focou as propriedades do composto, mas já foram realizados. Inclusive, o desempenho real de uma bateria de lítio metal com eletrólito aditivado com cristal líquido iônico foi descrito em uma patente de autoria dos pesquisadores do AES – CINE, que foi licenciada pela Shell.
A pesquisa contou com apoio financeiro da FAPESP e da Shell, além do suporte estratégico da ANP e recursos computacionais da USP e do LNCC.
Referência do artigo científico: Tuning aprotic solvent properties with long alkyl chain ionic liquid for lithium-based electrolytes. Tuanan C. Lourenço, Letícia M. S. Barros, Chayene G. Anchieta, Thayane C. M. Nepel, Júlia P. O. Júlio, Luis Gustavo Dias, Rubens Maciel Filho, Gustavo Doubek and Juarez L. F. Da Silva. J. Mater. Chem. A, 2022,10, 11684-11701. https://doi.org/10.1039/
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Juarez L. F. Da Silva
IQSC-USP
