As baterias de metal de lítio (LMBs), um tipo emergente de baterias recarregáveis à base de lítio feitas de metal de estado sólido em vez de íons de lítio, estão entre as tecnologias de bateria recarregável de alta densidade de energia mais promissoras. Embora tenham algumas características vantajosas, essas baterias têm várias limitações, incluindo uma baixa densidade de energia e questões relacionadas à segurança.
Nos últimos anos, os pesquisadores tentaram superar essas limitações introduzindo um design alternativo de célula de bateria de lítio sem ânodo. Este projeto sem ânodo pode ajudar a aumentar a densidade de energia e a segurança das baterias de metal de lítio.
Pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência Industrial Avançada e Equipar realizou recentemente um estudo com o objetivo de aumentar a densidade de energia de baterias de lítio sem ânodo, apresenta uma nova bateria de lítio sem ânodo de alta densidade energética e longa vida, baseada no uso de um Li2Ó agente sacrificial.
As arquiteturas de bateria full-cell sem ânodo são normalmente baseadas em um cátodo totalmente litiado com um coletor de corrente de cobre de ânodo nu. Notavelmente, as densidades de energia gravimétrica e volumétrica das baterias de lítio sem ânodo podem ser estendidas ao seu limite máximo. As arquiteturas de células sem ânodo têm várias outras vantagens em relação aos designs de LMB mais convencionais, incluindo um custo mais baixo, maior segurança e procedimentos de montagem de células mais simples.
Para desbloquear todo o potencial dos LMBs sem ânodo, os pesquisadores devem primeiro descobrir como alcançar a reversibilidade / estabilidade do revestimento de metal de lítio. Embora muitos tenham tentado resolver esse problema projetando e selecionando eletrólitos mais favoráveis, a maioria desses esforços não teve sucesso até agora.
Outros também exploraram o potencial do uso de sais ou aditivos que poderiam melhorar a reversibilidade do revestimento / remoção de metal de lítio. Depois de revisar essas tentativas anteriores, os pesquisadores do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada propuseram o uso de Li2O como um agente sacrificial, que é pré-carregado em um LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 superfície.
“É um desafio realizar uma alta reversibilidade de Li, especialmente considerando o reservatório de Li limitado (normalmente com excesso de lítio zero) na configuração da célula”, escreveram os pesquisadores em seu artigo. “Neste estudo, apresentamos Li2O como um agente sacrificial pré-carregado em um LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2 cátodo, fornecendo uma fonte adicional de Li para compensar a perda irreversível de Li durante o ciclo de longo prazo em uma célula livre de ânodo inicial. ”
Além de empregar Li2O como agente de sacrifício, os pesquisadores propuseram o uso de um aditivo de éter fluoropropílico para neutralizar o O nucleofílico.2-, que é liberado durante a oxidação do Li2O, e evitar a evolução adicional de O gasoso2 resultante da fabricação de um eletrólito à base de LiF revestido na superfície do cátodo da bateria.
“Nós mostramos que O2- espécie, liberada através de Li2O oxidação, são neutralizados sinergicamente por um aditivo de éter fluorado ”, explicaram os pesquisadores em seu artigo. “Isso leva à construção de uma camada à base de LiF na interface catodo / eletrólito, que passiva a superfície do catodo e restringe a decomposição oxidativa prejudicial de solventes de éter.”
Com base no projeto que desenvolveram, Yu Qiao e o resto da equipe do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia Industrial Avançada foram capazes de realizar uma célula bolsa sem ânodo inicial de 2.46 Ah de longa vida. Esta célula exibiu uma densidade de energia gravimétrica de 320 Wh kg-1, mantendo uma capacidade de 80% após 300 ciclos de operação.
No futuro, o lítio sem ânodo bateria introduzido por este grupo de pesquisa pode ajudar a superar algumas das limitações comumente relatadas de LMBs. Além disso, seu design pode inspirar a criação de baterias recarregáveis à base de lítio mais seguras com densidades de energia mais altas e vida útil mais longa.
