Melhores baterias da pesquisa do laboratório Lawrence Berkeley

Jul 11, 2023

https://cleantechnica.com/2022/11/24/byd-may-begin-sodium-ion-battery-production-in-2023/

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Uma equipe de pesquisa liderada por Gao Liu, cientista sênior da Área de Tecnologias de Energia do Lawrence Berkeley Lab, publicou recentemente um artigo na revista Nature Energy no qual relatam sobre novas tecnologias que poderiam reduzir o custo das baterias de íons de lítio e ampliar sua vida de serviço. Aqui está o resumo:

Polímeros eletricamente condutores têm encontrado aplicações crescentes em dispositivos de conversão e armazenamento de energia. No design convencional de polímeros condutores, as funcionalidades orgânicas são introduzidas através de abordagens sintéticas ascendentes para melhorar propriedades específicas através da modificação dos polímeros individuais. Infelizmente, a adição de grupos funcionais leva a efeitos conflitantes, limitando sua síntese em escala e amplas aplicações.

Aqui mostramos um polímero condutor com blocos de construção primários simples que podem ser processados ​​termicamente para desenvolver estruturas ordenadas hierarquicamente (HOS) com morfologias nanocristalinas bem definidas. Nossa abordagem para a construção de HOS permanente em polímeros condutores leva a um aprimoramento substancial das propriedades de transporte de carga e da robustez mecânica, que são críticas para baterias práticas de íons de lítio.

Finalmente, demonstramos que polímeros condutores com HOS permitem desempenho de ciclagem excepcional de células completas com ânodos baseados em SiOx de tamanho mícron de alta carga, fornecendo capacidades de área de mais de 3,0 mAh cm-2 ao longo de 300 ciclos e eficiência Coulombic média de> 99,95% .

“O avanço abre uma nova abordagem para o desenvolvimento de baterias EV que sejam mais acessíveis e fáceis de fabricar”, disse Liu. A grande novidade aqui é que o chamado revestimento HOS-PFM conduz elétrons e íons ao mesmo tempo, o que garante a estabilidade da bateria e altas taxas de carga/descarga, ao mesmo tempo que aumenta a vida útil da bateria. O revestimento também se mostra promissor como adesivo de bateria que pode prolongar a vida útil de uma bateria de íons de lítio de uma média de 10 anos para cerca de 15 anos, acrescentou.

Crédito: Jenny Nuss, Laboratório Berkeley

Esta é a legenda do gráfico mostrado acima do Berkeley Lab:

“Antes do aquecimento: À temperatura ambiente (20 graus Celsius), as cadeias terminais de alquil (linhas pretas onduladas) na cadeia do polímero PFM limitam o movimento dos íons de lítio (círculos vermelhos).

“Quando aquecidas a cerca de 450 graus Celsius (842 graus Fahrenheit), as cadeias terminais de alquilo derretem, criando locais “pegajosos” vazios (linhas azuis onduladas) que “agarram” materiais de silício ou alumínio a nível atómico. As cadeias poliméricas do PFM então se automontam em fios semelhantes a espaguete, chamados de “estruturas hierarquicamente ordenadas” ou HOS.

“Como uma via expressa atômica, os filamentos HOS-PFM permitem que os íons de lítio peguem carona com os elétrons (círculos azuis). Esses íons e elétrons de lítio se movem em sincronia ao longo das cadeias poliméricas condutoras alinhadas.”

Se você está acompanhando até agora, continue lendo. Para demonstrar as propriedades condutoras e adesivas superiores do HOS-PFM, Liu e sua equipe revestiram eletrodos de alumínio e silício com HOS-PFM e testaram seu desempenho em uma configuração de bateria de íon de lítio. Silício e alumínio são materiais de eletrodo promissores para baterias de íon-lítio devido à sua capacidade de armazenamento de energia potencialmente alta e perfis leves. Mas esses materiais baratos e abundantes se desgastam rapidamente após vários ciclos de carga/descarga.

Durante experimentos na Advanced Light Source e na Molecular Foundry, que faz parte do Lawrence Berkeley Lab, os pesquisadores demonstraram que o revestimento HOS-PFM evita significativamente a degradação dos eletrodos à base de silício e alumínio durante o ciclo da bateria, ao mesmo tempo que fornece alta capacidade da bateria ao longo de 300 ciclos, uma taxa de desempenho equivalente à dos eletrodos de última geração atuais.

Os resultados são impressionantes, disse Liu, porque as células de íons de lítio à base de silício normalmente duram um número limitado de ciclos de carga/descarga e vida útil. Os pesquisadores demonstraram com sucesso que o revestimento HOS-PFM evita significativamente a degradação dos eletrodos à base de alumínio durante o ciclo da bateria, ao mesmo tempo que fornece alta capacidade da bateria em mais de 300 ciclos. “O avanço abre uma nova abordagem para o desenvolvimento de baterias EV que são mais acessíveis e fáceis de fabricar”, disse Gao.