Pesquisadores desenvolvem eletrólito não inflamável para evitar fuga térmica no lítio

1º de agosto de 2023

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pelo Conselho Nacional de Pesquisa de Ciência e Tecnologia

Uma equipe de pesquisa colaborativa liderada pela Dra. Minah Lee do Centro de Pesquisa de Armazenamento de Energia, pelo Professor Dong-Hwa Seo do KAIST e pelos 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 .

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 ponto de fulgor baixo e pega fogo facilmente mesmo em temperatura ambiente.

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

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 gases combustíveis e 62% da geração de calor em comparação com 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. A pesquisa é publicada na revista Energy & Environmental Science.