Baterias de lítio-enxofre com pouco eletrólito: áreas problemáticas identificadas
Utilizando um método não destrutivo, uma equipa da HZB investigou pela primeira vez as baterias de lítio-enxofre num formato prático de célula de bolsa, que se contentam com um eletrólito líquido particularmente reduzido. Utilizando a tomografia de neutrões operando, foi possível visualizar em tempo real como o eletrólito líquido se distribui por várias camadas e molha os eléctrodos durante a carga e a descarga. Estas descobertas fornecem informações valiosas sobre os mecanismos que podem levar à falha da bateria e são úteis para o desenvolvimento de baterias compactas de Li-S com elevada densidade energética.
As baterias de lítio-enxofre (baterias Li-S) são consideradas uma das mais interessantes tecnologias de baterias da próxima geração. As baterias de Li-S podem atingir densidades de energia gravimétricas extremamente elevadas (por exemplo, mais de 700 Wh/kg em comparação com cerca de 250 Wh/kg para as baterias de iões de lítio mais avançadas atualmente disponíveis), o que as torna particularmente atractivas para aplicações na indústria aeroespacial, robótica e veículos eléctricos de longo alcance. Além disso, o elemento enxofre, disponível em abundância, oferece uma alternativa convincente aos metais críticos e geopoliticamente sensíveis, como o cobalto e o níquel, que são utilizados nas baterias de iões de lítio.
No entanto, a densidade energética prática é limitada pela elevada proporção em peso de materiais inactivos, como o eletrólito. Para aumentar a densidade energética das baterias de lítio-enxofre ao nível da célula, é, portanto, necessário reduzir a quantidade de eletrólito. No entanto, quanto menor for a quantidade de eletrólito na célula da bateria, mais difícil será molhar completamente os eléctrodos. No entanto, uma humidificação incompleta perturba os processos electroquímicos e conduz a um envelhecimento mais rápido ou mesmo a uma falha da bateria. "É crucial a forma como o eletrólito molha os eléctrodos, penetra nos seus poros e é distribuído nas células Li-S. No entanto, devido ao design fechado das baterias, é extremamente difícil observar isto de forma não destrutiva", afirma o químico do HZB, Prof. Dr. Yan Lu, que liderou o estudo.
Para observar a molhagem dinâmica das baterias durante a carga e descarga em sistemas de baterias Li-S, a equipa de Yan Lu utilizou um método não destrutivo, a tomografia de neutrões. Para tal, a equipa começou por produzir células de bolsa Li-S multicamadas com eletrólito reduzido, em conformidade com os parâmetros relevantes para a indústria. O Dr. Ingo Manke e o Dr. Nikolay Kardjilov, do grupo de imagiologia do HZB, examinaram estas amostras com neutrões no Institut Laue-Langevin, em Grenoble, a fim de localizar elementos leves como o lítio e o hidrogénio com a maior precisão.
"Isto permitiu-nos observar pela primeira vez em tempo real o comportamento do eletrólito líquido e a forma como a humidade nas várias camadas de uma célula de bolsa se altera localmente ao longo do tempo. Obtivemos alguns conhecimentos interessantes com isto", diz Yan Lu.
Durante a fase de repouso da bateria com tensão de circuito aberto, as zonas não molhadas acumulam-se em áreas localizadas, particularmente no início. A fase de repouso melhora inicialmente a molhagem, mas uma fase de repouso longa tem apenas uma influência mínima na molhagem global.
Os processos de descarga/carga melhoram significativamente a homogeneidade do eletrólito e promovem assim a ativação eletroquímica do enxofre, aumentando a capacidade das baterias. Pela primeira vez, a equipa observou processos periódicos na molhagem do eletrólito que se correlacionam com a dissolução e precipitação de compostos de enxofre. "O comportamento dinâmico de molhagem do eletrólito difere significativamente do das baterias de iões de lítio convencionais devido à química especial dos sistemas Li-S", afirma o Dr. Liqiang Lu, investigador de pós-doutoramento da equipa de Yan Lu e primeiro autor da publicação.
"Trata-se de um contributo importante para a compreensão dos mecanismos que conduzem ao rápido envelhecimento e à falha destes sistemas. Estas descobertas ajudarão a aumentar a densidade energética das baterias Li-S, preservando simultaneamente a sua vida útil", afirma Yan Lu.
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Publicação original
Liqiang Lu, Nikolay Kardjilov, Xiangqi Meng, Kang Dong, Yaolin Xu, Qingping Wu, Alessandro Tengattini, Lukas Helfen, Jin Yang, Yan Guo, Moritz Exner, Ingo Manke, Yan Lu; "Visualising the dynamic wetting and redistribution of electrolyte in lean-electrolyte lithium-sulphur pouch cells via operando neutron imaging"; Advanced Energy Materials (2025).
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