Eletrólitos poliméricos no estado sólido para baterias de alto rendimento de lítio metálico - Ciência e Engenharia de Materiais

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terça-feira, 22 de outubro de 2019

Eletrólitos poliméricos no estado sólido para baterias de alto rendimento de lítio metálico


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