Desenvolvendo eletrólito não inflamável para evitar fuga térmica no lítio

Adaptar a estrutura molecular dos carbonatos orgânicos em eletrólitos comerciais reduz o risco de incêndio das baterias. Eletrólitos não fluorados e não inflamáveis apresentam um caminho viável para obter baterias de alto desempenho termicamente estáveis.

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O presidente do Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST), Seok-Jin Yoon, anunciou que uma equipe de pesquisa colaborativa liderada pela Dra. Minah Lee do Centro de Pesquisa de Armazenamento de Energia, Professor Dong-Hwa Seo do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST ) e os drs. Yong-Jin Kim e Jayeon Baek, do Instituto Coreano de Tecnologia Industrial (KITECH), desenvolveram um eletrólito não inflamável que não pega fogo à temperatura ambiente, adaptando a estrutura molecular do carbonato orgânico linear para evitar incêndio e fuga térmica em baterias de íon-lítio .

Crédito: Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia

À medida que a utilização de baterias de iões de lítio de média e grande escala em veículos eléctricos e sistemas de armazenamento de energia (ESS) se expande, crescem as preocupações com incêndios e explosões. Incêndios em baterias ocorrem quando as baterias entram em curto-circuito devido a impactos externos, abuso ou envelhecimento, e o fenômeno de fuga térmica acompanhado por reações exotérmicas em série dificulta a extinção do fogo e representa um alto risco de ferimentos pessoais. Em particular, o carbonato orgânico linear usado em eletrólitos comerciais para baterias de íons de lítio tem um baixo ponto de fulgor e pega fogo facilmente mesmo à temperatura ambiente, o que é uma causa direta de ignição.

Até agora, a fim de reduzir a inflamabilidade do eletrólito, a fluoração intensiva nas moléculas do solvente ou em sais altamente concentrados tem sido amplamente adotada. Como resultado, o transporte de íons de lítio no eletrólito foi reduzido ou estes eram incompatíveis com eletrodos comerciais, limitando sua comercialização.

(Esquerda) Eletrólito de uma bateria comercial de íons de lítio (DEC) e um novo eletrólito (BMEC) desenvolvido por uma equipe de pesquisa conjunta da KIST, KITECH e KAIST (direita).

Ao aplicar simultaneamente a extensão da cadeia alquílica e a substituição alcóxi à molécula de carbonato de dietila(DEC), um carbonato orgânico linear típico usado em eletrólitos comerciais de baterias de íons de lítio, os pesquisadores desenvolveram um novo eletrólito, carbonato de bis(2-metoxietil)(BMEC), com ponto de fulgor aprimorado e condutividade iônica, aumentando as interações intermoleculares e a capacidade de solvatação. A solução BMEC tem um ponto de inflamação de 121°C, que é 90°C superior ao da solução DEC convencional e, portanto, não é inflamável na faixa de temperatura para operação com bateria convencional. O BMEC pode dissociar o sal de lítio mais forte do que seu equivalente alquilado simples, o carbonato de dibutila (DBC), resolvendo o problema do transporte mais lento de íons de lítio ao reduzir a inflamabilidade, aumentando a interação intermolecular. Como resultado, retém mais de 92% da capacidade de taxa original do eletrólito convencional, ao mesmo tempo que reduz significativamente os riscos de incêndio.

Além disso, o novo eletrólito aliviou 37% da evolução de gás combustível e 62% da geração de calor do que o eletrólito convencional. A equipe de pesquisa demonstrou a operação estável de baterias de íon-lítio de 1Ah ao longo de 500 ciclos, combinando o novo eletrólito com um cátodo com alto teor de níquel e um ânodo de grafite. Eles também realizaram um teste de penetração de pregos em uma bateria de íons de lítio de nível 4Ah com 70% de carga e confirmaram a fuga térmica suprimida.

Minah Lee, do KIST, declarou: “Os resultados desta pesquisa fornecem uma nova direção para o projeto de eletrólitos não inflamáveis, que foi inevitavelmente sacrificado pela propriedade eletroquímica ou pela viabilidade econômica”. “O eletrólito não inflamável desenvolvido tem competitividade de custos e excelente compatibilidade com materiais de eletrodos de alta densidade energética, por isso espera-se que seja aplicado na infraestrutura de fabricação de baterias convencionais. Em última análise, acelerará o surgimento de baterias de alto desempenho com excelente estabilidade térmica.”