Solventes de Éter Melhoram Baterias de Lítio-metal.

Projeto de molécula de solvente assimétrica para alto desempenho de Li-met

Para impulsionar avanços futuros em eletrônica, os engenheiros devem desenvolver baterias que carreguem mais rápido, armazenem mais energia e durem mais. Baterias de lítio-metal (LMBs) se destacam como uma alternativa promissora às baterias convencionais de íons de lítio (Li-ion), que atualmente dominam o mercado.

As LMBs apresentam um ânodo de lítio-metal, diferentemente das baterias de íons de lítio que dependem de ânodos à base de grafite ou silício. Este design permite densidades de energia significativamente maiores. No entanto, as LMBs enfrentam desafios como cinética redox lenta e baixa reversibilidade do ciclo, o que dificulta a velocidade de carregamento e a eficiência a longo prazo.

Pesquisadores da Universidade de Stanford estão lidando com essas limitações desenvolvendo novos solventes eletrolíticos. Seu estudo recente, publicado na Nature Energy, apresenta solventes assimétricos à base de éter que aumentam a velocidade de carregamento e a estabilidade das LMBs.

“Nosso objetivo era habilitar baterias de lítio-metal de alta taxa projetando melhores moléculas de solvente”, disse Rok Choi, o primeiro autor do estudo. “Inspirados pelo etil metil carbonato (EMC), um alquil carbonato assimétrico usado em baterias de íons de lítio, exploramos se uma estrutura assimétrica semelhante poderia melhorar os solventes de éter para LMBs.”

Solventes tradicionais à base de éter, comumente usados ​​em eletrólitos de bateria, contêm estruturas moleculares simétricas, que retardam a troca de íons de lítio e impactam negativamente a velocidade e a estabilidade do carregamento. Para abordar isso, Choi e sua equipe investigaram solventes de éter assimétricos, que têm moléculas com diferentes grupos laterais.

Esquerda: Esquema de solvente simétrico mostrando cinética redox lenta e SE instável derivado de solvente

Otimizando solventes para transferência mais rápida de íons de Lítio

“Nós projetamos solventes para minimizar o impedimento estérico durante a dessolvatação de Li+”, explicou Choi. “Solventes simétricos tendem a bloquear o movimento de Li+ sob um campo elétrico, retardando a transferência de carga. Em contraste, solventes assimétricos se alinham de uma forma que permite redução e dessolvatação mais rápidas de Li+.”

Ao otimizar a orientação do dipolo — o alinhamento de cargas positivas e negativas — os pesquisadores melhoraram a transferência de carga, aumentaram o movimento de íons de lítio e promoveram a formação de uma interfase sólido-eletrólito (SEI) estável. Isso, por sua vez, ajudou a criar uma camada uniforme de revestimento de Li no ânodo.

“Nossas descobertas mostram que uma maior assimetria molecular acelera a cinética de Li+, levando a uma SEI mais estável e a um ciclo de vida estendido sob condições de alta taxa”, disse Choi. “Ao otimizar tanto a estrutura do éter quanto o grau de fluoração, desenvolvemos o F3EME como um solvente ideal, que demonstrou mais de 600 ciclos em células de bolsa sem ânodo — sob condições de teste simulando aplicações de decolagem e pouso vertical elétrico (eVTOL)”.

Os testes iniciais confirmaram que os solventes de éter assimétricos melhoraram significativamente o desempenho e a estabilidade do LMB. Seguindo em frente, Choi e sua equipe planejam expandir sua pesquisa projetando eletrólitos semelhantes para outras baterias baseadas em Li, incluindo baterias de íons de Li com ânodos de silício e baterias de Li-enxofre (Li-S).

“Com base nessa estratégia de design molecular, pretendemos desenvolver uma gama mais ampla de solventes para vários sistemas de bateria”, acrescentou Choi.

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