Direct Evidence of Reversible Changes in Electrolyte and its Interplay with LiO₂ Intermediate in Li-O₂ Batteries

Autor(es)

Sousa, Bianca P. ; Lourenco, Tuanan C. ; Anchieta, Chayene G. ; Nepel, Thayane C. M. ; Filho, Rubens M. ; Da Silva, Juarez L. F. ; Doubek, Gustavo

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: SMALL; v. 20, n. 31, p. 11-pg., 2024-04-12.

Resumo

Lithium-oxygen batteries show promising energy storage potential with high theoretical energy density; however, further investigation of chemical reactions is required. In this study, experimental Raman and theoretical analyzes are performed for a Li-O-2 battery with LiClO4/dimethyl sulfoxide (DMSO) electrolyte and carbon cathode to understand the role of intermediate species in the reactional mechanism of the cell using a high donor number solvent. Operando Raman results reveal reversible changes in the DMSO bands, in addition to the formation and decomposition of Li2O2. On discharge, a decrease in DMSO polarizability is observed and bands of DMSO-Li+-anion interactions are evidenced and supported by ab initio density functional theory (DFT) calculations. Molecular dynamics (MD) force field simulations and operando Raman show that DMSO interacts with LiO2(sol), highlighting the stability of the electrolyte compared to the interaction with reactive O-2(-). On charging, the presence of Li+ indicates the formation of a lithium-deficient phase, followed by the release of Li+ and oxygen. Therefore, this study contributes to understanding the discharge/charge chemistry of a Li-O-2 cell, employing a common carbon cathode and DMSO electrolyte. The combination of a simple characterization technique in operando mode and theoretical studies provides essential information on the mechanism of Li-O-2 system. (AU)

• Processo FAPESP: 17/11958-1 - CINE - Divisão para Armazenamento de Energia Avançado
• Beneficiário: Rubens Maciel Filho
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia
• Processo FAPESP: 19/23681-0 - De métodos ab initio até o contínuo para a busca de materiais para baterias de sódio-íon
• Beneficiário: Tuanan da Costa Lourenço
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 18/21401-7 - EMU concedido no processo 2017/11631-2: cluster computacional de alto desempenho - ENIAC
• Beneficiário: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Equipamentos Multiusuários
• Processo FAPESP: 17/11986-5 - Geração e Armazenamento de Novas Energias: trazendo desenvolvimento tecnológico para o país
• Beneficiário: Ana Flávia Nogueira
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia
• Processo FAPESP: 22/05652-5 - Campos de força polarizáveis para a Investigação de materiais de bateria de sódio-íon
• Beneficiário: Tuanan da Costa Lourenço
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 17/11631-2 - CINE: desenvolvimento computacional de materiais utilizando simulações atomísticas, meso-escala, multi-física e inteligência artificial para aplicações energéticas
• Beneficiário: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia