Ceramic-on-polymer solid electrolyte for high-performance lithium storage applications

• Grant number: 23/00657-1
• Support Opportunities: Scholarships in Brazil - Technical Training Program - Technical Training
• Start date: February 01, 2023
• End date: July 31, 2024
• Field of knowledge: Engineering - Materials and Metallurgical Engineering - Nonmetallic Materials
• Principal Investigator: Emerson Sarmento Gonçalves
• Grantee: André Felipe Deziderio Borges
• Host Institution: Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE). São José dos Campos , SP, Brazil
• Associated research grant: 22/02737-0 - Development of supercapacitor devices from 2D and 3D nanomaterial electrodes - Graphene, MXenes and Metal nanooxides, AP.R

Abstract

No progresso da eletrificação da mobilidade urbana e demandas tecnológicas que culminam na crescente digitalização, cibernética, internet das coisas, redes de internet velozes 5G, 6G, necessita-se de novas fontes de matrizes de energia elétrica. Para sustentar o operacional desses sistemas integrados, desde pequenos circuitos eletroeletrônicos a motores de elevada potência operando on grid ou off grid, há uma corrida tecnológica para produção de acumuladores de energia. Um desafio evidente para alcançar essa finalidade é a janela de potencial do eletrólito, que limita a voltagem máxima até a qual uma célula pode ser carregada. Xia et al. (2017) descrevem o uso de anidrido succínico como ativador em eletrólitos livres de carbonato de etileno para células de íon de Lítio de alta voltagem. Os autores foram capazes de demonstrar o uso de alquil carbonatos lineares em combinação com o anidrido succínico como eletrólito termicamente estável com baixa evolução de oxigênio. Uma outra aproximação relevante para solucionar esse problema é o desenvolvimento de eletrólitos de estado sólido. Esses eletrólitos utilizam materiais sólidos com alta condutividade iônica para eliminar a necessidade de eletrólitos líquidos e aumentar a densidade energética das baterias, tornando-as mais seguras e compactas. Atualmente os eletrólitos sólidos se dividem em três categorias principais: inorgânicos, poliméricos e compósitos, e de filme fino (Manthiram et al., 2017). Esses eletrólitos permitem atingir voltagens mais altas e maior estabilidade da célula, mas também possuem suas desvantagens. Por exemplo, eletrólitos sólidos inorgânicos são comumente frágeis, caros e, por conta de sua rigidez, não são capazes de se conformar à superfície do cátodo, resultando em um contato elétrico de baixa qualidade. Enquanto isso, eletrólitos sólidos poliméricos são fáceis de sintetizar e baratos, mas apresentam baixa estabilidade térmica e baixa condutividade iônica. Já os eletrólitos de filme fino partilham de alguns dos problemas das outras categorias, mas sua principal desvantagem é a dificuldade de produção em escala industrial devido aos processos envolvidos (Zhao et al., 2020). O desenvolvimento de eletrólitos sólidos de alta performance e baixo custo pode levar à solução de muitos dos problemas enfrentados atualmente pelos armazenadores à base de lítio. Pretende-se contribuir, através desta Proposta, para a disrupção nesse tocante aplicada à construção de dispositivos que possam atuar de maneira integrada a sistemas de circuitos elétricos simples de motores de baixa potência visando o processo de eletrificação como prova de conceito.Manthiram, A., Yu, X., & Wang, S. (2017). Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes. Nature Reviews Materials, 2(4), 1-16. https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.103Xia, J., Liu, Q., Hebert, A., Hynes, T., Petibon, R., & Dahn, J. R. (2017). Succinic Anhydride as an Enabler in Ethylene Carbonate-Free Linear Alkyl Carbonate Electrolytes for High Voltage Li-Ion Cells. Journal of The Electrochemical Society, 164(6), A1268-A1273. https://doi.org/10.1149/2.1341706jesZhao, Q., Stalin, S., Zhao, C. Z., & Archer, L. A. (2020). Designing solid-state electrolytes for safe, energy-dense batteries. Nature Reviews Materials, 5(3), 229-252. https://doi.org/10.1038/s41578-019-0165-5