Como o material do eletrodo da bateria afeta seu desempenho e vida útil

Diálogo de 15 de agosto de 2023

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por Dmitrii A. Rakov, Tech Xplore

Baterias são dispositivos que armazenam e liberam energia movendo partículas carregadas chamadas íons entre dois materiais chamados eletrodos. Os eletrodos são separados por um líquido ou gel denominado eletrólito, que contém íons e outras moléculas. Quando uma bateria é usada, uma fina camada de moléculas se forma na superfície de cada eletrodo, chamada interfase eletrólito sólido (SEI).

As baterias de íons de lítio (LIBs) e as baterias de íons de sódio (SIBs) sofrem de reversibilidade deficiente dos processos redox na interface eletrodo/eletrólito, o que está associado à formação de SEIs mecanicamente instáveis ​​e reativos. Os SEIs ricos em inorgânicos estáveis ​​podem isolar a transferência de elétrons, permitindo que apenas certos íons se difundam, apoiando assim o ciclo reversível além do limite eletroquímico do eletrólito.

Embora as células eletroquímicas que utilizam eletrólitos inorgânicos de sal fundido em temperaturas elevadas (> 100°C) apresentem um desempenho de ciclagem estável, as aplicações diárias dependem de eletrólitos de bateria que compreendem sais metálicos e solventes orgânicos. Esta mistura desencadeia reações competitivas na interface carregada, causando consumo contínuo de eletrólito e deposição irregular de metal, ou seja, formação de dendritos no caso de eletrodos metálicos, resultando em falha da bateria e, às vezes, em questões de segurança.

Uma das maneiras mais praticamente escalonáveis ​​de otimizar a química e a morfologia do SEI para o transporte de carga reversível é a co-seleção da química do eletrólito e do protocolo de formação (ou seja, condições de ciclagem iniciais, com condições específicas de corrente/tensão). Simultaneamente, a importância do material do eletrodo nesta progressão tem sido notavelmente subestimada, apesar de sua influência inerente nas fases preliminares da formação do SEI.

Para preencher esse vazio de informação, pesquisadores das Universidades Deakin e Monash (Melbourne, Austrália) examinaram os efeitos das propriedades físico-químicas do eletrodo no mecanismo de formação de SEI com líquidos iônicos e eletrólitos de sódio à base de carbonato. O trabalho foi publicado na revista Energy & Environmental Science.

Usando uma combinação de ferramentas experimentais e teóricas, demonstramos que a estrutura da interface eletrólito-eletrodo e as propriedades da interfase sólido-eletrólito são substancialmente afetadas pela polarizabilidade do eletrodo (sua natureza dielétrica), e explicamos esses fenômenos em o contexto da capacidade dos eletrodos carregados de adsorver espécies eletrolíticas (ver figura acima).