Notícia

Novo material polimérico pode ajudar baterias a se auto-recuperarem e serem recicláveis

Fonte

Universidade de Illinois em Urbana-Champaign

Data

sexta-feira, 3 janeiro 2020 12:10

Áreas

Ciência dos Materiais. Reciclagem. Sustentabilidade. Tecnologias.

Baterias de íon de lítio são conhecidas pela possibilidade de curtos elétricos internos que podem inflamar seus eletrólitos líquidos, levando a explosões e incêndios. Engenheiros da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, nos Estados Unidos, desenvolveram um eletrólito sólido à base de polímeros que pode se refazer automaticamente após danos – e o material também pode ser reciclado sem o uso de produtos químicos agressivos ou altas temperaturas.

O novo estudo, que pode ajudar os fabricantes a produzir baterias comerciais recicláveis ​​e com auto-recuperação, foi publicado na revista científica Journal of the American Chemical Society.

À medida que as baterias de íon-lítio passam por vários ciclos de carga e descarga, elas desenvolvem estruturas minúsculas e ramificadas de lítio sólido chamadas dendritos, explicam os pesquisadores. Essas estruturas reduzem a vida útil da bateria, causam hotspots e curtos elétricos e às vezes crescem o suficiente para perfurar as partes internas da bateria, causando reações químicas explosivas entre os eletrodos e os líquidos eletrolíticos.

Há um esforço de químicos e engenheiros para substituir os eletrólitos líquidos nas baterias de íon-lítio por materiais sólidos, como cerâmica ou polímeros. No entanto, muitos desses materiais são rígidos e frágeis, resultando em contato inadequado de eletrólito com o eletrodo e condutividade reduzida.

“Polímeros sólidos condutores de íons são uma opção para o desenvolvimento de eletrólitos não líquidos”, disse Brian Jing, estudante de pós-graduação em ciência dos materiais e engenharia e coautor do estudo. “Mas as condições de alta temperatura dentro de uma bateria podem derreter a maioria dos polímeros, resultando novamente em dendritos e falhas”.

Estudos anteriores produziram eletrólitos sólidos usando uma rede de fios de polímeros que são reticulados para formar um condutor de lítio de borracha. Este método atrasa o crescimento de dendritos; no entanto, esses materiais são complexos e não podem ser recuperados ou reperados após danos, disse Jing.

Para resolver esse problema, os pesquisadores desenvolveram um eletrólito de polímero no qual o ponto de reticulação pode sofrer reações de troca e trocar os fios de polímero. Ao contrário dos polímeros lineares, essas redes ficam mais rígidas com o aquecimento, o que pode potencialmente minimizar o problema de dendritos, disseram os pesquisadores. Além disso, eles podem ser facilmente decompostos e reperado em uma estrutura em rede após danos, tornando-os recicláveis ​​e restaurando a condutividade após serem danificados.

“Esse novo polímero de rede também mostra a propriedade notável de que a condutividade e a rigidez aumentam com o aquecimento, o que não é visto nos eletrólitos convencionais de polímeros”, disse Jing.

“A maioria dos polímeros exige ácidos fortes e altas temperaturas para se decompor”, disse o professor de ciência e engenharia de materiais e autor principal Dr. Christopher Evans. “Nosso material se dissolve na água à temperatura ambiente, fazendo dele um material ecológico e com um processo muito eficiente em termos de energia.”

A equipe investigou a condutividade do novo material e descobriu que seu potencial como um eletrólito de bateria eficaz é promissor, disseram os pesquisadores. Mas eles também reconheceram que são necessárias mais pesquisas antes que o material possa ser usado em baterias comerciais.

“Acho que este trabalho apresenta uma plataforma interessante para testes. Usamos uma química muito específica e uma ligação dinâmica muito específica em nosso polímero, mas achamos que essa plataforma pode ser reconfigurada para ser usada com muitas outras químicas para ajustar as propriedades mecânicas e de condutividade do material”, concluiu o Dr. Christopher Evans.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign (em inglês).

Fonte: Lois Yoksulian, Universidade de Illinois em Urbana-Champaign. Imagem: O professor de ciência e engenharia de materiais Dr. Christopher Evans, à direita, e o estudante Brian Jing. Fonte: L. Brian Stauffer.