Água

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 2154 (2023) Citar este artigo

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Os eletrólitos de água em sal promoveram as baterias aquosas de íon-lítio a se tornarem um dos candidatos mais promissores para superar as preocupações/problemas de segurança das baterias tradicionais de íon-lítio. Um simples aumento da concentração de sal de lítio em eletrólitos pode expandir com sucesso a janela de estabilidade eletroquímica de eletrólitos aquosos além de 2 V. No entanto, melhorias de estabilidade necessárias requerem um aumento na complexidade dos eletrólitos ternários. Aqui, exploramos os efeitos de novos líquidos iônicos do tipo Gemini (GILs) como sistemas co-solventes em misturas aquosas de Li[TFSI] e investigamos as propriedades de transporte dos eletrólitos resultantes, bem como seu desempenho eletroquímico. Os dispositivos contendo GILs à base de pirrolidínio apresentam estabilidade cíclica superior e capacidade específica promissora nas células baseadas nos materiais de eletrodo comumente usados ​​LTO (Li4Ti5O12) e LMO (LiMn2O4).

A crescente demanda por baterias recarregáveis ​​de alto desempenho baseadas em materiais sustentáveis ​​aliadas a um alto nível de segurança tem direcionado as pesquisas para eletrólitos contendo água1,2,3,4. Inicialmente, os eletrólitos aquosos foram evitados devido à baixa densidade de energia, causada pela estreita janela eletroquímica da própria água5. A questão da divisão da água foi superada com sucesso pela descoberta revolucionária de Suo et al. onde foram aplicados eletrólitos aquosos altamente concentrados6. As concentrações de sal são de fato tão altas que podem ser consideradas como sais fundidos hidratados à temperatura ambiente. Em tais eletrólitos de água em sal (WISEs), mais comumente baseados em bis(trifluorometanossulfonil)imida de lítio (Li[TFSI]), a atividade de água diminui devido à forte interação entre água e cátions de lítio, que é uma consequência da disponibilidade reduzida de água "livre"6,7,8,9. Em particular, a alta concentração de sal dita diretamente o estado termodinâmico das moléculas de água, bem como dos ânions de sal, influenciando assim seu comportamento eletroquímico. Recentemente, a importância dos efeitos termodinâmicos para a estabilidade dos WISEs foi abordada com mais rigor. A forte coordenação das moléculas de água com os íons de lítio fortalece a ligação O-H intramolecular devido à ausência de moléculas de água vizinhas, o que, como consequência, influencia a estabilidade eletroquímica10,11. Além disso, também podem existir efeitos cinéticos indiretos relacionados à formação de uma interfase sólido-eletrólito (SEI) no ânodo6,12. Nesse contexto, foi comprovado que o uso de [TFSI]– como ânion, que interage fortemente com o Li+, especialmente em concentrações tão altas, favorece a formação de um SEI derivado do ânion13. As sinergias desses efeitos resultaram em uma janela de estabilidade eletroquímica (ESW) aprimorada de ≈2,5 V para WISEs em baterias de íons de lítio (LIBs)4,6,14. No entanto, observou-se um aumento adicional do ESW limitado pela solubilidade dos sais de lítio, que por sua vez também causou problemas indesejados de cristalização devido a problemas de saturação9,15. Como solução potencial, a introdução de múltiplos sais ou co-solventes nos WISEs foi aplicada com sucesso. Essa abordagem foi impulsionada pela ideia de reduzir ainda mais a atividade da água formando uma camada de solvatação deficiente em água ao redor dos cátions de lítio e promover a formação de um SEI. A extensa pesquisa no campo da abordagem bi-sal e misturas eutéticas, introduzindo a combinação de sais de lítio com vários ânions perfluorados, permitiu solubilidades de até 60 mol de sal por kg de água (60 m), e como resultado, o ESW foi impulsionado para > 3,5 V4,16,17,18. No entanto, a viscosidade desse tipo de fluido é bastante alta, causando transporte de massa mais lento e, portanto, transporte de carga reduzido. Posteriormente, diferentes grupos de pesquisa expandiram com sucesso o limite de tensão catódica e aumentaram a solubilidade dos sais de lítio usando co-solventes, como carbonato de dimetila19, acetonitrila20 e éter dimetílico de tetraetilenoglicol21. Mesmo que os eletrólitos resultantes sejam não inflamáveis, o processo de fabricação ainda enfrenta os problemas de volatilidade e inflamabilidade dos cossolventes utilizados, o que constitui uma grande desvantagem para a implementação dessa estratégia em LIBs duráveis.