Resumo: As células eletroquímicas que
contém ânodos metálicos são de grande interesse para aplicações elétricas, mas
a eletrodeposição desigual e a mal reversibilidade do ânodo, que surge de
várias instabilidades químicas, morfológica, mecânica e hidrodinâmica, limitam
seu progresso. Com os eletrólitos de estado sólido baseados em redes de
polímero reticulado em uma célula com anodos de lítio metálico se conseguiu
superar essas dificuldades.
Os dispositivos de armazenamento de
energia elétrica seguros, rentáveis e duradouros são essenciais para manter o
seu progresso, as baterias de lítio metálico são atrativas pois oferecem o
potencial de aumentar a capacidade do ânodo e permitem o uso de catodos de
maior energia. Atualmente existe uma dificuldade para encontrar materiais que
simultaneamente ofereçam rigidez mecânica suficiente para desacelerar a
cinética de crescimento dos depósitos metálicos e proporcionar transporte de íons
interfaciais.
Em estudos recentes, as redes densas
baseadas em polieter com alta densidade de reticulação são efetivas para
superar as baixas densidades de corrente. Os eletrólitos líquidos que
incorporam polímeros de alta massa molar para formar emaranhados moleculares no
liquido e que conferem viscoelasticidade são efetivos para estabilizar a
deposição de metais a densidades de corrente intermediarias, particularmente em
eletrodos compostos de metais alcalinos moles.
Foi realizado um processo de
polimerização em massa, fácil e simples que não requer solvente.
Especificadamente, se agrega polietilenoglicol dimetacrilato (PEGDMA) ao éter
bis(2-metoxietílico) (Diglima), resultando em uma boa estabilidade química com
um eletrodo de metal de Li e, devido as fortes interações, tem uma baixa
viscosidade na ausência de qualquer solvente.
A reticulação
foi obtida expondo as misturas a luz ultravioleta, e o resultado é uma membrana
resistente e elástica de aproximadamente 100 μm de espessura firmemente unida
ao substrato subjacente. O aumento do conteúdo de PEGDMA tem como
resultado uma maior densidade de reticulação, o que conduz as membranas que são
macroscopicamente mais elásticas e mecanicamente mais fortes.
A membrana reticulada poderia ser usada
como interface de eletrólitos sólidos artificiais (ASEI) para inibir a
instabilidade física e química em um eletrodo de metal alcalino. A
condutividade dependente da frequência
pode revelar informações importantes sobre os mecanismos de transporte de íons,
assim como os arranjos estruturais.
O transporte de íons através da membrana
ocorre mediante processos predominantemente líquidos. Portanto, fica claro que
as interações moleculares entre os oligômeros e os segmentos da rede de
polímeros tem um papel crucial na regulação dos processos de transporte de íons
em grande escala nos materiais.
A composição ideal perto de 40% de
PEGDMA, as restrições de movimento fornecidas pela rede são fortes o suficiente
para inibir o transporte em grande escala que gera instabilidade hidrodinâmica,
mas fracas o suficiente para permitir a liberação local de oligoeter para
permitir o transporte de íons.
Na ausência de convecções forçadas, a
eletrodeposição é um processo de difusão limitada, de modo que a velocidade de
transporte de íons em cada diferença de potencial deveria ser uma função da
condutividade iônica. A voltagens mais altas, a taxa de migração de ânions
excede a taxa de difusão, causando uma interrupção da neutralidade de cargas em
uma região perto da interface eletrodo-eletrolitico, o que resulta em uma
criação de uma região de carga espacial.
Para obter mais de 40% de PEGDMA, as
membranas podem suprimir completamente a instabilidade de convecções. A medida que aumenta o conteúdo de
PEGDMA, o equilíbrio muda para as cadeias diglimas que estão completamente
associadas aos segmentos de rede e, como tal, não podem se mover
independentemente da membrana. Como consequência, o eletrólito liquido se
comporta eletrocinéticamente como parte da membrana do eletrólito sólido.
Portanto, é interessante que as interações oligômero-polímero regulam a
termodinâmica em microescala de misturas e a eletrocinética em macro escala.
Concluindo, as membranas com 40% de PEGDMA
como materiais ideais para projetar a interface de polímero sólido (SPI) que
exibem simultaneamente características liquidas e solidas. Esta membrana é
transparente e homogênea, não apresenta agregados ou sinais de formação de
cristalitos.
Conseguiram mostrar que as interações
entre um solvente de alto ponto de ebulição (bis
(2-metoxietil) éter) com segmentos de rede são suficientes para acoplar o
solvente a rede polimérica.
Os descobrimentos das redes em um
substrato de Li produzem uma resistência interfacial similar a um liquido, mas
são capazes de suprimir por completo a instabilidade hidrodinâmica conhecida
como eletroconvecção até voltagens de 5V.
Referência:
Snehashis
Choudhury, Sanjuna Stalin, Duylinh Vu, Alexander Warren, Yue Deng, Prayag Biswal
& Lynden A. Archer. Solid-state
polymer electrolytes for high-performance lithium metal batteries. Scientific
Reports, 27 September 2019.
Redação: Dennis
Gonzales
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