Novo eletrólito pode ajudar baterias de veículos elétricos a resistir ao frio

A crescente densidade de energia das baterias de íon-lítio ao longo dos anos levou a veículos elétricos com maior autonomia. Mas esse intervalo de condução despenca em conjunto com as temperaturas no inverno. Essa queda no desempenho da bateria é uma das razões pelas quais os clientes costumam citar para não querer comprar um EV.

Ao redesenhar o eletrólito da bateria, os pesquisadores criaram uma bateria que funciona em temperaturas de até -20 °C. Em comparação com outras baterias de clima frio que os pesquisadores relataram até agora, esta tem uma vida útil recorde de mais de um ano.

As baterias atuais funcionam bem em temperaturas entre 0 °C e 40 °C. Para uma implantação mais ampla, os desenvolvedores estão se esforçando para fabricar baterias que funcionem em uma faixa mais ampla de temperaturas, de -40 °C a 60 °C. "A alta densidade de energia e a longa vida útil das baterias de íon-lítio em baixas temperaturas são essenciais para o desenvolvimento de veículos elétricos para todos os climas", diz Chong Yan, do Instituto de Tecnologia de Pequim.

Para manter as baterias funcionando no frio hoje, os fabricantes adicionam isolamento externo e calor. Mas isso também aumenta o volume, e carregar esse peso adicional reduz a autonomia. Além disso, não é ideal para baterias de clima frio para aplicações sensíveis ao peso, como drones e satélites de alta altitude.

Muitos pesquisadores estão tentando melhorar o desempenho da bateria em baixas temperaturas, concentrando-se nos eletrólitos que transportam íons de lítio entre os eletrodos da bateria. Temperaturas frias engrossam esses eletrólitos, de modo que os íons se movem mais lentamente, levando à perda de capacidade e carregamento lento. Algumas equipes usaram recentemente solventes de baixa temperatura para fazer eletrólitos ou testaram aditivos químicos nos eletrólitos que ajudam a melhorar sua tolerância ao frio. Outros formularam eletrólitos completamente novos que podem lidar com uma ampla gama de temperaturas.

Yan, junto com Qiang Zhang da Universidade de Tsinghua e seus colegas, focaram na abordagem de solvente de baixa temperatura. Embora esses solventes ajudem no desempenho em climas frios, eles são conhecidos por produzir gases em altas temperaturas que reduzem a vida útil da bateria. "No entanto, o mecanismo de geração de gás e a estratégia de inibição correspondente permanecem desconhecidos", diz Yan.

Em seu artigo publicado na revista Matter, os pesquisadores agora desvendam o mecanismo por trás dessa geração de gás e propõem um novo eletrólito de alta concentração que eles projetaram como uma solução alternativa para o problema.

Eles descobriram que o revestimento de lítio - o acúmulo de lítio metálico na superfície do ânodo de grafite da bateria - é o culpado por trás da geração de gás. Nas temperaturas de inverno, como os íons de lítio se movem lentamente, eles tendem a ficar aglomerados à medida que entram do eletrólito no grafite, de modo que algum metal de lítio acaba se acumulando na superfície. Os pesquisadores descobriram que o acetato de etil solvente de baixa temperatura comumente usado reage violentamente com este lítio banhado, resultando na formação de gases de hidrogênio e etano. A pressão do acúmulo de gás eventualmente quebra os eletrodos e faz com que a bateria falhe.

Para combater essa geração de gás, os pesquisadores criaram um eletrólito dissolvendo uma quantidade maior do que o normal de sais de lítio em um solvente feito de 90% de acetato de etila e 10% de carbonato de fluoroetileno.

Os pesquisadores então fizeram uma célula de bateria com este eletrólito, um ânodo de grafite e um cátodo NMC811, que é feito de 80% de níquel, 10% de cobalto e 10% de manganês. Os cátodos NMC811 são usados ​​nas baterias de íon-lítio de alto desempenho de hoje devido à sua alta densidade de energia e uso mínimo de caro cobalto.

"Todos os materiais que usamos estão disponíveis comercialmente e o eletrólito proposto é razoável para produzir em larga escala", diz Yan, tornando a nova abordagem facilmente aplicável aos processos químicos e de fabricação de baterias comuns de hoje.

Os pesquisadores mostram que o uso de acetato de etila como solvente principal mantém a célula da bateria operando em temperaturas abaixo de -40 °C. O sal de lítio reage com o carbonato de fluoroetileno, enquanto isso, para formar uma camada sólida no ânodo que conduz íons de lítio, mas também protege qualquer lítio metálico que inevitavelmente cobre a superfície. A camada protetora evita que o lítio banhado reaja com o acetato de etila e forme gases.