Argonne National Lab cria lítio

Oct 17, 2023

Pesquisadores do Argonne National Lab acreditam que podem ter uma solução para baterias de íon de lítio que funcionam mal no frio.

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As pessoas que vivem em climas frios e dirigem carros elétricos sabem que as baterias de íon-lítio de seus carros não funcionam tão bem em temperaturas congelantes. Eles não carregam tão rápido e não vão tão longe. É um problema, mas o Argonne National Laboratory diz que pode ter a resposta.

Em uma postagem no blog, os cientistas da Argonne dizem que nas baterias de íon-lítio de hoje, o eletrólito líquido que serve como um caminho para os íons viajarem entre o cátodo e o ânodo à medida que a bateria carrega e descarrega começa a congelar em temperaturas abaixo de zero. . Essa condição limita severamente a eficácia do carregamento de veículos elétricos em regiões e estações frias.

Uma equipe de cientistas dos laboratórios nacionais Argonne e Lawrence Berkeley colaboraram para desenvolver um eletrólito fluorado que funciona bem mesmo em temperaturas abaixo de zero. "Assim, nossa pesquisa demonstrou como adaptar a estrutura atômica de solventes de eletrólitos para projetar novos eletrólitos para temperaturas abaixo de zero", diz John Zhang, que lidera o grupo de pesquisa no Argonne National Lab.

"Nossa equipe não apenas encontrou um eletrólito anticongelante cujo desempenho de carregamento não diminui a menos 4 graus Fahrenheit, mas também descobriu, no nível atômico, o que o torna tão eficaz", disse Zhang, químico sênior e líder do grupo em Divisão de Ciências Químicas e Engenharia de Argonne. Este eletrólito de baixa temperatura mostra-se promissor no trabalho para baterias em veículos elétricos, bem como no armazenamento de energia para redes elétricas e eletrônicos de consumo, como computadores e telefones.

Você não precisa saber como funciona uma bateria para dirigir um carro elétrico, assim como não precisa saber como funciona um motor de quatro tempos para dirigir um carro convencional. A maioria de nós provavelmente tem pouco mais do que uma compreensão rudimentar de como funcionam as baterias de íon-lítio. Argonne Lab explica que o eletrólito usado na maioria das baterias de íon-lítio hoje é uma mistura de um sal amplamente disponível – hexafluorofosfato de lítio – e solventes de carbonato, como o carbonato de etileno. Os solventes dissolvem o sal para formar um líquido.

Quando uma bateria é carregada, o eletrólito líquido transporta os íons de lítio do cátodo, que normalmente é um óxido que contém lítio, para o ânodo, que geralmente é feito de grafite. Esses íons migram para fora do cátodo e passam pelo eletrólito a caminho do ânodo. Ao serem transportados através do eletrólito, eles ficam no centro de aglomerados de quatro ou cinco moléculas de solvente.

Durante as poucas cargas iniciais, esses aglomerados atingem a superfície do ânodo e formam uma camada protetora chamada interfase sólido-eletrólito. Uma vez formada, esta camada age como um filtro. Ele permite que apenas os íons de lítio passem pela camada enquanto bloqueia as moléculas do solvente. É isso que permite ao ânodo armazenar átomos de lítio na estrutura do grafite quando a bateria está carregada. Durante a fase de descarga, as reações eletroquímicas liberam elétrons do lítio para gerar eletricidade que é usada para alimentar veículos elétricos.

Quando a temperatura cai, o eletrólito com solventes de carbonato começa a congelar. Isso, por sua vez, faz com que ele perca sua capacidade de transportar íons de lítio para o ânodo durante o carregamento, porque os íons de lítio estão fortemente ligados aos aglomerados de solvente. Portanto, esses íons requerem energia muito maior para evacuar seus aglomerados e penetrar na camada de interface do que à temperatura ambiente. Os cientistas acreditavam que a solução para o mau desempenho em climas frios era encontrar um solvente melhor que não congelasse.

A equipe investigou vários solventes que foram infundidos com flúor e conseguiu identificar aquele que apresentava a menor barreira de energia para liberar íons de lítio dos aglomerados em temperatura abaixo de zero. Eles também determinaram em escala atômica por que essa composição em particular funcionou tão bem – dependia da posição dos átomos de flúor dentro de cada molécula de solvente e seu número.