102021016975 ELETRÓLITO, BATERIAS QUE COMPREENDEM UM LÍQUIDO IÔNICO CRISTALINO COMO ADITIVO EM ELETRÓLITO
Depósito: 26/08/2021
Destaque: publicação em revista especializada
Inventor: THAYANE CARPANEDO DE MORAIS NEPEL / CHAYENE GONÇALVES ANCHIETA / LETÍCIA MARIA SAMPAIO BARROS / GUSTAVO DOUBEK / RUBENS MACIEL FILHO
Titular: UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS - UNICAMP (BR/SP)
Pesquisadores brasileiros deram um passo crucial para viabilizar as baterias de lítio-oxigênio (Li-O₂). Essas baterias, também chamadas de "lítio-ar", têm potencial para armazenar muito mais energia que as de íons de lítio atuais. O grande desafio é melhorar sua "ciclabilidade", ou seja, o número de recargas que suportam antes de se degradarem. A equipe, liderada pelo professor Gustavo Doubek (Unicamp/CINE), buscou uma solução eficiente e de baixo custo. O funcionamento da bateria Li-O₂ envolve a reação do lítio com o oxigênio do ar, formando peróxido de lítio (Li₂O₂) durante a descarga. Para recarregar, esse peróxido deve se decompor completamente e rapidamente.
Catalisadores são essenciais para acelerar essa decomposição, mas precisam ser eficientes, duráveis e baratos. Os catalisadores mais promissores são óxidos metálicos da família dos "espinélios", à base de cobalto, manganês e alumínio. Eles são produzidos em um processo de duas etapas: precipitação química e depois tratamento térmico a 900°C. No entanto, o método de produção era pouco reprodutível, gerando catalisadores de qualidade inconsistente.
Os pesquisadores do CINE se uniram a especialistas do INPE, que já estudavam esses materiais para satélites. O foco da pesquisa foi otimizar meticulosamente o processo de fabricação dos espinélios. Eles variaram parâmetros como pH, composição da solução e temperatura do tratamento térmico. Para cada material resultante, analisaram a atividade catalítica e a resistência mecânica. Os melhores catalisadores foram testados em um cátodo de bateria, "decorando" nanotubos de carbono com as partículas de espinélio. Um cátodo sem catalisador também foi preparado para comparação. O resultado mostrou que o cátodo com o catalisador decompôs quase todo o peróxido de lítio durante a recarga. Isso melhorou significativamente o desempenho geral da bateria. Inesperadamente, a presença do catalisador também melhorou o desempenho durante a descarga da bateria. A causa para esse ganho na descarga ainda está sob investigação.
O trabalho demonstra as vantagens dos espinélios como catalisadores para baterias de lítio-oxigênio. E evidencia que o controle rigoroso do processo de fabricação é fundamental para o sucesso. A pesquisa contribui para o desenvolvimento de baterias Li-O₂ com maior vida útil e eficiência. Tudo isso sem depender de metais nobres ou de alto custo. Este avanço é um passo importante rumo a baterias de próxima geração, mais potentes e duráveis.
A presente patente descreve um eletrólito inovador para baterias de Li-O₂ e Li-ar. O eletrólito é composto por um líquido iônico cristalino (LIC) [C₁₆MIM⁺][Br⁻] (brometo de 1-hexadecil-3-metilimidazólio) como aditivo. O LIC é combinado com perclorato de lítio (LiClO₄) e dimetilsulfóxido (DMSO) como solvente. A concentração do LIC varia de 0,05 M a 3,369 M, e a do LiClO₄, de 0,1 M a 5,0 M.
A invenção aborda problemas de eletrólitos convencionais, como baixa densidade energética, instabilidade e volatilidade. O [C₁₆MIM⁺][Br⁻] atua duplamente: melhora a condutividade iônica e age como catalisador redox. Estruturalmente, o LIC forma micelas no solvente, criando caminhos preferenciais que facilitam o transporte de íons de lítio. Isso resulta em alta condutividade iônica, mesmo com o aumento da viscosidade do sistema. A parte aniônica (Br⁻) atua como mediador redox, reduzindo o sobrepotencial de carga e aumentando a ciclabilidade.
A bateria utiliza lítio metálico como ânodo, um separador de fibra de vidro e um cátodo de papel carbono com nanotubos de carbono (CNT). Os testes foram realizados em células do tipo Swagelok, sob atmosfera controlada. Com 0,05 M de LIC, a bateria atingiu uma capacidade específica de 19.350 mAh/g em descarga longa (159 horas). Na ciclagem com capacidade fixa de 1000 mAh/g, a bateria suportou 29 ciclos (465 horas) sem perda significativa de capacidade. Com 1,456 M de LIC, a bateria manteve ~15.000 mAh/g e 20 ciclos. A condutividade iônica máxima foi de 3,33 mS/cm com 1,456 M de LIC. Técnicas como Raman, DRX e calorimetria confirmaram a formação de estruturas complexas e as propriedades do LIC. A voltametria cíclica comprovou a atividade catalítica do Br⁻, com formação da espécie Br³⁻ a 4,10 V. A adição do LIC reduziu o potencial de carga para abaixo de 4,5 V, aumentando a eficiência.
A invenção supera o estado da técnica ao combinar efeito estrutural e catalítico em um único composto. A tecnologia é aplicável principalmente a baterias Li-O₂ e Li-ar, mas pode ser estendida a baterias Li-ion e supercapacitores. Oferece maior segurança, stability e densidade energética em comparação com baterias de íon-lítio tradicionais. A configuração da célula não é limitante, podendo ser do tipo coin cell, pouch cell, entre outras. A invenção demonstra um avanço significativo no armazenamento de energia de alta capacidade. Os resultados mostram uma melhoria notável na vida útil e no desempenho das baterias. A patente garante a proteção do eletrólito, das baterias que o incorporam e do uso do LIC nestes dispositivos.
Gustavo Doubek possui Graduação em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP (2007) e Doutorado em Tecnologia Nuclear - Materiais pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares - IPEN/USP (2013). Atualmente é Professor Livre-Docente MS 5.1 da Universidade Estadual de Campinas e pesquisador no Centro de Inovação em Novas Energias - CINE na divisão de Armazenamento de Energia Avançado. Possui experiência no projeto e síntese de nanomateriais aplicados a dispositivos de conversão e armazenamento de energia e processos de inovação em produtos. Atua principalmente nos seguintes temas: Desenvolvimento de baterias para amazenamento e conversão de energia, síntese de catalisadores e materiais funcionais.
Resumo: 102021016975 A presente invenção se refere a um líquido iônico como aditivo de eletrólito de alta condutividade com atuação catalítica, a baterias que compreendem o uso do líquido iônico cristalino, e o uso do líquido iônico cristalino em baterias Li-O2 utilizando células com a configuração Swagelok (célula vedada ou célula auto vedante). Comparando o líquido iônico da presente invenção com outros líquidos iônicos nota-se vantagens como uma ampla janela de potencial, alta eficiência energética de baterias Li-O2 em termos de horas de operação, alta ciclabilidade das baterias Li-O2 e propriedades estruturais que facilitam o transporte dos íons de lítio e solvatação. O líquido iônico pode ser aplicado em baterias de Li-O2, Li-ar e Li-íon e outras configurações de baterias, além de supercapacitores.
Referências:
https://www.inova.unicamp.br/premioinventores/edicoes/edicao-2022/
Artigo: Conversion of Co-Mn-Al hydrotalcites in highly active spinel-type catalysts for peroxide decomposition
Autores: André Navarro de Miranda, Willian Gonçalves Nunes, Leandro José Maschio, Luís Gustavo Ferroni Pereira, Sayuri Okamoto, Ricardo Vieira, Gustavo Doubek
Revista: Catalysis Today
DOI: 10.1016/j.cattod.2021.08.013
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