Os pesquisadores projetaram um aglutinante de alto desempenho para eletrodos à base de óxido de microsilício (SiO) em baterias de íons de lítio com poli(ácido vinilfosfônico) (PVPA), que melhora o desempenho eletroquímico e a durabilidade em comparação com as opções convencionais. Crédito: Noriyoshi Matsumi do JAIST
Os pesquisadores criaram um aglutinante sofisticado para eletrodos de óxido de silício em baterias de íon-lítio, melhorando sua eficiência eletroquímica e vida útil.
As baterias de íons de lítio são amplamente utilizadas em diversas aplicações, mas precisam de aglutinantes aprimorados para melhorar seu desempenho e atender às crescentes demandas. Isso ocorre porque o óxido de silício (SiO), um material anódico promissor devido à sua alta capacidade e baixo custo, enfrenta diversos desafios. Estes incluem baixa condutividade, o que leva a taxas de carregamento mais lentas e expansão significativa durante o carregamento. Aglutinantes eficazes são, portanto, essenciais para resolver estes problemas e garantir melhor desempenho e durabilidade prolongada para sistemas de baterias de íons de lítio.
Em um estudo recente publicado na revista Materiais Energéticos Aplicados ACS em 8 de fevereiro de 2024, o professor Noriyoshi Matsumi do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia do Japão (JAIST), juntamente com o estudante de doutorado Noriyuki Takamori, o ex-professor sênior Rajashekar Badam, o Dr. Tejkiran Pindi Jayakumar (ex-aluno) e pesquisadores da Maruzen Petrochemical Company Ltd., utilizou poli(vinilfosfônico ácido) (PVPA) como aglutinante para eletrodos micro-SiO, alcançando desempenho superior em comparação às células convencionais.
Desempenho Superior de PVPA
De acordo com o professor Matsumi, “O aglutinante PVPA deve ser muito útil para prolongar a vida útil de baterias secundárias de íons de lítio de alto desempenho. Particularmente na aplicação de veículos eléctricos, tem havido intenso interesse em permitir uma longa vida útil para baterias secundárias de iões de lítio. O uso de PVPA oferecerá alternativas melhoradas aos ligantes disponíveis comercialmente, como poli(ácido acrílico) (PAA) e poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF), etc.”
O estudo envolveu a fabricação de eletrodos contendo PVPA, PAA e PVDF como ligantes, e seu desempenho foi avaliado por meio de experimentos eletroquímicos e teoria do funcional de densidade. O PVPA demonstrou uma adesão notavelmente mais forte (3,44 N/m) a um suporte de cobre em comparação com o PAA convencional (2,03 N/m), levando a uma durabilidade significativamente melhorada em baterias de íons de lítio.
A célula baseada em PVPA também forneceu quase o dobro da capacidade de descarga em comparação com a célula baseada em PAA após 200 ciclos, com a meia célula baseada em PVPA atingindo 1300 mAhg-1SiO após a mesma contagem cíclica. Mesmo após 200 ciclos de carga-descarga, a esfoliação do coletor de corrente não foi observada na microscopia eletrônica de varredura, ao contrário dos ligantes de PVDF ou PAA. Além disso, a adesão mais forte do PVPA ajuda a estabilizar o ânodo à base de SiO2, evitando a sua esfoliação mesmo com expansão significativa de volume.
Colaboração e patenteamento
Além disso, a Maruzen Petrochemical Company Ltd., cujos pesquisadores fizeram parte do estudo, estabeleceu um processo de produção industrial para o PVPA. A colaboração contínua entre a JAIST e a Maruzen Petrochemical Company Ltd., juntamente com a inclusão de experiência adicional em produção de baterias da empresa, pode acelerar ainda mais o processo em direção a aplicações na vida real. As patentes para esta tecnologia foram submetidas tanto nacionalmente (Japão) como internacionalmente como um pedido conjunto da JAIST e da Maruzen Petrochemical Company Ltd.
“Um aglutinante industrialmente viável e de alto desempenho como este ajudará no desenvolvimento de tecnologia para baterias altamente duráveis e de alta densidade energética. Isto resultará na adoção mais ampla de VEs em todo o mundo, sem preocupações com a degradação do desempenho durante um período mais longo. Esses materiais também podem ser aplicáveis a uma variedade de veículos elétricos, como trens, navios, aeronaves, etc., no futuro”, prevê o Prof.
Em resumo, os cientistas desenvolveram um aglutinante funcional usando poli(ácido vinilfosfônico) para ânodos à base de SiO2 em baterias de íon-lítio. Este aglutinante de baixo custo melhora o desempenho em comparação com as opções convencionais e representa um novo avanço para aplicações baseadas em micro-SiO em veículos elétricos e muito mais!
Referência: “Estabilização fácil de ânodo de bateria de íons de lítio à base de óxido de microssilício usando poli (ácido vinilfosfônico)” por Noriyuki Takamori, Tadashi Yamazaki, Takuro Furukawa, Tejkiran Pindi Jayakumar, Rajashekar Badam e Noriyoshi Matsumi, 8 de fevereiro de 2024, Materiais Energéticos Aplicados ACS.
DOI: 10.1021/acsaem.3c02127
Este trabalho foi apoiado por JST SPRING, número de concessão JPMJSP2102.
