Tecnologia Científica

Uma nova abordagem aumenta a eficiência da bateria de íon-lítio e também apaga incêndios
Adicionar polímeros e à prova de fogo aos coletores de corrente da bateria a torna mais leve, segura e cerca de 20% mais eficiente.
Por Glennda Chui - 17/10/2020



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Em uma abordagem totalmente nova para tornar as baterias de íon-lítio mais leves, seguras e eficientes, os cientistas da Universidade de Stanford e do Laboratório Nacional do Acelerador SLAC do Departamento de Energia reprojetaram um dos componentes mais pesados ​​da bateria - folhas de cobre ou alumínio conhecidas como atuais coletores - então eles pesam 80% menos e apagam imediatamente qualquer incêndio que apareça.

Se adotada, disseram os pesquisadores, essa tecnologia poderia atender a dois objetivos principais da pesquisa de baterias: estender o alcance dos veículos elétricos e reduzir o perigo de laptops, telefones celulares e outros dispositivos explodirem em chamas. Isso é especialmente importante quando as baterias são carregadas super-rápido, criando mais tipos de danos à bateria que podem causar incêndios.

A equipe de pesquisa descreveu seu trabalho na Nature Energy hoje .

“O coletor atual sempre foi considerado um peso morto e até agora não foi explorado com sucesso para aumentar o desempenho da bateria”, disse Yi Cui, professor do SLAC e Stanford e investigador do Instituto de Stanford para Ciências de Materiais e Energia (SIMES ) que conduziram a pesquisa.

“Mas em nosso estudo, tornar o coletor 80% mais leve aumentou a densidade de energia das baterias de íon-lítio - quanta energia elas podem armazenar em um determinado peso - em 16-26%. É um grande salto em comparação com o aumento médio de 3% alcançado nos últimos anos. ”

Buscando desesperadamente perder peso

Quer venham na forma de cilindros ou bolsas, as baterias de íons de lítio têm dois coletores de corrente, um para cada eletrodo. Eles distribuem a corrente que flui para dentro ou para fora do eletrodo e respondem por 15% a até 50% do peso de algumas baterias de alta potência ou ultrafinas. Reduzir o peso da bateria é desejável por si só, permitindo dispositivos mais leves e reduzindo a quantidade de peso que os veículos elétricos têm de carregar; armazenar mais energia por peso determinado permite que os dispositivos e VEs durem mais tempo entre as cargas.

A redução do peso e da inflamabilidade da bateria também pode ter um grande impacto na reciclagem, tornando o transporte de baterias recicladas mais barato, disse Cui.

Pesquisadores da indústria de baterias têm tentado reduzir o peso dos coletores de corrente tornando-os mais finos ou mais porosos, mas essas tentativas tiveram efeitos colaterais indesejados, como tornar as baterias mais frágeis ou quimicamente instáveis ​​ou exigir mais eletrólito, o que aumenta o custo , disse Yusheng Ye, um pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Cui que realizou os experimentos com o acadêmico visitante Lien-Yang Chou.

Quanto à questão da segurança, ele disse: “As pessoas também tentaram adicionar retardante de fogo ao eletrólito da bateria, que é a parte inflamável, mas você só pode adicionar até que fique viscoso e não conduza mais os íons”.
 

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Ilustração destacando características do novo colecionador atual
Um coletor de corrente redesenhado para baterias de íon de lítio torna as baterias mais
leves, mais eficientes em termos de energia e mais seguras. Também poderia cortar custos,
substituindo o cobre por polímero mais barato e reduzindo o custo de transporte de baterias
para reciclagem. (Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory)

Projetando um sanduíche de folha de polímero

Depois de pensar no problema, Cui, Ye e o estudante de graduação Yayuan Liu projetaram experimentos para fazer e testar coletores de corrente baseados em um polímero leve chamado poliimida, que resiste ao fogo e resiste às altas temperaturas criadas pelo carregamento rápido da bateria. Um retardador de fogo - fosfato de trifenila, ou TPP - foi embutido no polímero, que foi então revestido em ambas as superfícies com uma camada ultrafina de cobre. O cobre não apenas faria seu trabalho normal de distribuição de corrente, mas também protegeria o polímero e seu retardador de fogo.  

Essas mudanças reduziram o peso do coletor de corrente em 80% em comparação com as versões de hoje, disse Ye, o que se traduz em um aumento de densidade de energia de 16-26% em vários tipos de baterias e conduz a corrente tão bem quanto os coletores regulares sem degradação.

Quando expostas a uma chama aberta de um isqueiro, baterias de bolsa feitas com os coletores de corrente comercial de hoje pegaram fogo e queimaram vigorosamente até que todo o eletrólito queimou, disse Ye. Mas nas baterias com os novos coletores retardadores de chamas, o fogo nunca realmente começou, produzindo chamas muito fracas que se apagaram em poucos segundos e não explodiram novamente, mesmo quando os cientistas tentaram reacendê-lo.

Uma das grandes vantagens dessa abordagem, disse Cui, é que o novo coletor deve ser fácil de fabricar e também mais barato, porque substitui parte do cobre por um polímero barato. Portanto, ampliá-lo para a produção comercial, disse ele, "deve ser muito viável". Os pesquisadores solicitaram uma patente através de Stanford, e Cui disse que entrará em contato com os fabricantes de baterias para explorar as possibilidades.

Este trabalho foi apoiado pelo Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE, Escritório de Tecnologias de Veículos no âmbito do programa eXtreme Fast Charge Cell Evaluation of Lithium-ion Batteries (XCEL).