Tecnologia Científica

Novo eletrólito de bateria pode aumentar o desempenho de veículos elétricos
Os pesquisadores de Stanford projetaram um novo eletrólito para baterias de metal de lítio que poderia aumentar o alcance dos carros elétricos
Por Mark Shwartz - 23/06/2020

Um novo eletrólito à base de lítio, inventado por cientistas da Universidade de Stanford, poderia abrir caminho para a próxima geração de veículos elétricos movidos a bateria.


Um eletrólito convencional (claro) à esquerda e o novo eletrólito de Stanford
à direita. (Crédito da imagem: Zhiao Yu)

Em um estudo publicado em 22 de junho na Nature Energy , os pesquisadores de Stanford demonstram como seu novo design de eletrólitos aumenta o desempenho das baterias de metal de lítio, uma tecnologia promissora para alimentar veículos elétricos, laptops e outros dispositivos.

"A maioria dos carros elétricos funciona com baterias de íon-lítio, que estão se aproximando rapidamente do limite teórico de densidade de energia", disse o co-autor do estudo, Yi Cui , professor de ciência e engenharia de materiais e ciência de fótons no SLAC National Accelerator Laboratory . "Nosso estudo se concentrou em baterias de metal de lítio, que são mais leves que as baterias de íon de lítio e podem potencialmente fornecer mais energia por unidade de peso e volume".

Íons de lítio vs. metal de lítio

As baterias de íon de lítio, usadas em tudo, de smartphones a carros elétricos, têm dois eletrodos - um cátodo com carga positiva contendo lítio e um ânodo com carga negativa, geralmente feito de grafite. Uma solução eletrolítica permite que os íons de lítio se desloquem entre o ânodo e o cátodo quando a bateria é usada e quando recarregada.


Os candidatos a PhD e autores principais Hansen Wang, à esquerda, e Zhiao Yu,
à direita, testando uma célula experimental em seu laboratório.
(Crédito da imagem: Hongxia Wang.)

Uma bateria de metal de lítio pode armazenar cerca de duas vezes mais eletricidade por quilograma do que a bateria de íon-lítio convencional de hoje. As baterias de metal de lítio fazem isso substituindo o ânodo de grafite por metal de lítio, que pode armazenar significativamente mais energia.

"As baterias de metal de lítio são muito promissoras para veículos elétricos, onde peso e volume são uma grande preocupação", disse o co-autor do estudo Zhenan Bao , professor de KK Lee na Escola de Engenharia . “Mas durante a operação, o ânodo de metal de lítio reage com o eletrólito líquido. Isso causa o crescimento de microestruturas de lítio chamadas dendritos na superfície do ânodo, o que pode fazer com que a bateria pegue fogo e falhe. ”

Os pesquisadores passaram décadas tentando resolver o problema dos dendritos.

"O eletrólito foi o calcanhar de Aquiles das baterias de metal de lítio", disse o co-autor principal Zhiao Yu, um estudante de graduação em química. "Em nosso estudo, usamos a química orgânica para projetar racionalmente e criar eletrólitos novos e estáveis ​​para essas baterias".

Novo eletrólito

Para o estudo, Yu e seus colegas exploraram se poderiam resolver os problemas de estabilidade com um eletrólito líquido comum disponível no mercado.

"Nós levantamos a hipótese de que a adição de átomos de flúor na molécula de eletrólito tornaria o líquido mais estável", disse Yu. “O flúor é um elemento amplamente usado em eletrólitos para baterias de lítio. Usamos sua capacidade de atrair elétrons para criar uma nova molécula que permite que o ânodo do metal de lítio funcione bem no eletrólito. ”

O resultado foi um novo composto sintético, abreviado FDMB, que pode ser facilmente produzido a granel.

"Os projetos de eletrólitos estão ficando muito exóticos", disse Bao. “Alguns mostraram boas promessas, mas são muito caros de produzir. A molécula de FDMB que Zhiao criou é fácil de fabricar em grande quantidade e bastante barata. ”

'Desempenho incrível'

A equipe de Stanford testou o novo eletrólito em uma bateria de metal de lítio.

Os resultados foram dramáticos. A bateria experimental reteve 90% de sua carga inicial após 420 ciclos de carga e descarga. Nos laboratórios, as baterias típicas de metal de lítio param de funcionar após cerca de 30 ciclos.

Os pesquisadores também mediram com que eficiência os íons de lítio são transferidos entre o ânodo e o cátodo durante o carregamento e o descarregamento, uma propriedade conhecida como "eficiência coulômbica".

"Se você cobra 1.000 íons de lítio, quantos você recebe depois da descarga?" Cui disse. “Idealmente, você deseja 1.000 em 1.000 para uma eficiência coulombic de 100%. Para ser comercialmente viável, uma célula de bateria precisa de uma eficiência coulômbica de pelo menos 99,9%. Em nosso estudo, obtivemos 99,52% nas meias células e 99,98% nas células completas; uma performance incrível. "

Bateria sem ânodo

Para potencial uso em eletrônicos de consumo, a equipe de Stanford também testou o eletrólito FDMB em células de bolsa de metal de lítio sem ânodo - baterias comercialmente disponíveis com cátodos que fornecem lítio ao ânodo.

"A ideia é usar apenas o lítio no lado do cátodo para reduzir o peso", disse o co-autor principal Hansen Wang, um estudante de graduação em ciência e engenharia de materiais. "A bateria sem ânodo executou 100 ciclos antes de sua capacidade cair para 80% - não tão boa quanto uma bateria de íon-lítio equivalente, que pode durar de 500 a 1.000 ciclos, mas ainda é uma das células sem ânodo com melhor desempenho".

"Esses resultados são promissores para uma ampla gama de dispositivos", acrescentou Bao. "Baterias leves e sem ânodos serão um recurso atraente para drones e muitos outros produtos eletrônicos de consumo".

Battery500

O Departamento de Energia dos EUA (DOE) está financiando um grande consórcio de pesquisa chamado Battery500 para viabilizar baterias de metal de lítio, o que permitiria aos fabricantes de automóveis construir veículos elétricos mais leves, capazes de percorrer distâncias muito mais longas entre as cargas. Este estudo foi apoiado em parte por uma concessão do consórcio, que inclui Stanford e SLAC.

Ao melhorar ânodos, eletrólitos e outros componentes, o Battery500 visa triplicar a quantidade de eletricidade que uma bateria de metal de lítio pode fornecer, de cerca de 180 watts-hora por quilograma, quando o programa começou em 2016, para 500 watts-hora por quilograma. Uma relação energia / peso mais alta, ou "energia específica", é essencial para solucionar a ansiedade de alcance que os potenciais compradores de carros elétricos costumam ter.

"A bateria sem ânodo em nosso laboratório alcançou cerca de 325 watts-hora por quilograma de energia específica, um número respeitável", disse Cui. "Nosso próximo passo pode ser trabalhar em colaboração com outros pesquisadores do Battery500 para construir células que atinjam a meta do consórcio de 500 watts-hora por quilograma".

Além de uma vida útil mais longa e melhor estabilidade, o eletrólito FDMB também é muito menos inflamável que os eletrólitos convencionais, como demonstraram os pesquisadores neste vídeo incorporado.

"Nosso estudo basicamente fornece um princípio de design que as pessoas podem aplicar para obter melhores eletrólitos", acrescentou Bao. "Acabamos de mostrar um exemplo, mas existem muitas outras possibilidades."

Outros coautores de Stanford incluem  Jian Qin , professor assistente de engenharia química; estudiosos de pós-doutorado Xian Kong, Kecheng Wang, Wenxiao Huang, Snehashis Choudhury e Chibueze Amanchukwu; estudantes de graduação William Huang, Yuchi Tsao, David Mackanic, Yu Zheng e Samantha Hung; e estudantes de graduação Yuting Ma e Eder Lomeli. Xinchang Wang, da Universidade de Xiamen, também é coautor. Zhenan Bao e Yi Cui são bolsistas seniores do Precourt Institute for Energy de Stanford  . Cui também é um dos principais pesquisadores do Instituto Stanford de Materiais e Ciência da Energia , um programa conjunto de pesquisa SLAC / Stanford.

Este trabalho também foi apoiado pelo Programa de Pesquisa de Materiais de Baterias no DOE Office of Veicular Technologies. As instalações usadas em Stanford são apoiadas pela National Science Foundation.

 

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