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Projeto racional do solvente eletrolítico multifuncional. As funções importantes da tolerância de alta tensão (estabilidade à oxidação e formação de SEI) e da não inflamabilidade são alocadas a cada parte da estrutura molecular. Crédito: Zheng et al.
À luz da mudança em direção às tecnologias de energia renovável e do crescente número de dispositivos da Internet das Coisas (IoT), pesquisadores de todo o mundo tentam desenvolver baterias que possam operar com mais eficiência e por períodos mais longos. Atualmente, as baterias de íons de lítio (LIBs) são a tecnologia preferida de armazenamento de energia para eletrônicos portáteis, pois contêm eletrólitos orgânicos, que normalmente permitem altas tensões operacionais e densidades de energia.
Apesar de seu amplo uso, aumentar ainda mais o desempenho dos LIBs existentes pode ter um impacto significativo em sua segurança. De fato, essas baterias contêm carbonatos orgânicos altamente voláteis e inflamáveis que, se inflamados, podem causar danos consideráveis.
Nos últimos anos, os pesquisadores fizeram esforços significativos para superar esses problemas de segurança, por exemplo, usando substâncias adicionais ou otimizando os materiais que separam os componentes da bateria. Embora algumas dessas estratégias reduzam com sucesso o risco de a bateria pegar fogo, desde que os LIBs sejam feitos com eletrólitos altamente inflamáveis, ainda poderão ocorrer acidentes.
Na esperança de preparar o caminho para LIBs mais seguros e com melhor desempenho, os pesquisadores da Universidade de Tóquio recentemente projetaram e sintetizaram um eletrólito alternativo à base de fosfato cíclico que não é inflamável. Seu eletrólito, apresentado em um artigo publicado na Nature Energy , permite uma operação segura, altamente estável e solventes de alta tensão e com desempenho superior contidos na maioria dos LIBs existentes.
"O solvente de eletrólito para as baterias de íon-lítio (LIBs) permanece inalterado há quase 30 anos", disse ao TechXplore o professor Atsuo Yamada, um dos pesquisadores que desenvolveu o novo eletrólito. "Pensamos, portanto, que deveria haver um amplo espaço para o desenvolvimento de LIBs avançados, se encontrarmos um solvente alternativo. Com isso em mente, sob a orientação do Prof. Makoto Gonokami, presidente da Universidade de Tóquio, estabelecemos uma colaboração com o Prof. Eiichi Nakamura, que é um pesquisador altamente estabelecido no campo da síntese orgânica, para projetar um novo solvente eletrolítico com o objetivo de aumentar o desempenho e a segurança da bateria ".
Yamada, Nakamura e seus colegas projetaram seu eletrólito à base de fosfato cíclico, fundindo as estruturas químicas do solvente eletrolítico convencional EC e um retardador de fogo. Isso fornece as propriedades fosfato de ambas as moléculas, incluindo a tolerância de alta voltagem do solvente e a não inflamabilidade do retardador de fogo, minimizando o risco de LIBs pegar fogo.
Ao sintetizar o electrólito, os investigadores descobriram que a fórmula mais eficaz continha 0,95 M de LiN (SO 2 F) 2 em TFEP / 2,2,2-trifluoroetil metil carbonato. Essa composição específica permitiu a síntese de um eletrólito com notável não inflamabilidade e um tempo de auto-extinção de zero, além de operação estável de ânodos de grafite e cátodos LiNi 0,5 Mn 1,5 O 4 de alta tensão .
"Inesperadamente, o novo solvente eletrolítico pode aumentar a tensão da bateria de 3,8 V para 4,6 V atuais e também melhorar a vida útil da bateria", disse o professor Yamada. "Ficamos surpresos ao ver que o solvente projetado realmente mostrava tolerância a alta tensão e capacidade de retardar o fogo, como esperávamos de sua estrutura química. Importante, este é o primeiro caso em que um projeto racional de estruturas químicas conseguiu obter eletrólitos de bateria . "
Yamada, Nakamura e seus colegas estão entre os primeiros a identificar um solvente eletrolítico alternativo que poderia aumentar a segurança dos LIBs e, ao mesmo tempo, melhorar seu desempenho. No futuro, seu eletrólito à base de fosfato cíclico poderá ser usado para criar baterias seguras e altamente eficientes para uma ampla gama de dispositivos eletrônicos.
"Esperamos que nosso trabalho estimule muitos pesquisadores a projetar e desenvolver uma variedade de novos materiais para baterias melhores", disse o professor Yamada. "Agora, planejamos continuar trabalhando neste novo solvente eletrolítico para aplicações comerciais de baterias e desenvolver novos materiais multifuncionais para baterias com base em nossa estratégia de design".
Explorar mais
Informações da revista: Nature Energ
Mais informações: Qifeng Zheng et al. Um eletrólito de bateria à base de fosfato cíclico para alta tensão e operação segura, Nature Energy (2020). DOI: 10.1038 / s41560-020-0567-z
Fonte: Phys Nes / / 19-03-2020
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for Science and the Public
(SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and
Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
projeto S`Cool Ground Observation (Observações de Nuvens) que é integrado ao
Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
NASA.A partir de 2019, tornou-se membro
da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
Participa também do projeto The Globe Program / NASA
Globe Cloud, um Programa de Ciência e Educação Worldwide, que também tem o
objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
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