Desenvolvimento de cátodos mais eficientes e sustentáveis para baterias de ião-lítio

Abstract

A evolução tecnológica verificada ao longo dos anos, contribuiu para tornar a energia elétrica num meio indispensável para o funcionamento dos equipamentos eletrónicos móveis. Como tal, existe a necessidade de se armazenar energia, através de sistemas que garantam um compromisso entre eficiência e sustentabilidade ambiental. Assim, as baterias de ião-lítio assumem-se como uma tecnologia fiável, para integração em dispositivos, sensores e atuadores eletrónicos, com possibilidade de serem móveis e flexíveis, úteis no âmbito da Internet of Things. Além disso, são também apropriadas para a incorporação em veículos elétricos e híbridos, bem como em sistemas de produção e gestão de energia renovável, com vista à potencialização dos conceitos de smart home, smart city e smart grid. Este trabalho consistiu na produção de tintas condutoras para cátodos, constituídas pelo material ativo lítio fosfato de ferro, C-LiFePO4 (LFP), pelo material condutor carbon black (C45), pelo solvente ciclopentil metil éter (CPME), e por três polímeros diferentes (SBS 718, SEBS 108C e SEBS H6110). É de referir que, no desenvolvimento das tintas, procedeu-se ao ensaio de diferentes métodos de preparação, para um determinado polímero, analisando-se as propriedades reológicas das mesmas. Os cátodos foram caracterizados a nível físico, morfológico e elétrico, sendo depois avaliados electroquimicamente, através da sua incorporação em baterias de ião-lítio half-cell Swagelok, utilizando ânodos de lítio metálico e membranas de Whatman como separador, imersas numa solução eletrolítica de hexafluorofosfato de lítio (LiPF6) dissolvido em carbonato de etileno (EC) e carbonato de dimetil (DMC). Em relação aos resultados obtidos, as tintas apresentam propriedades reológicas que possibilitam a impressão por screen printing, com uma tensão limite de escoamento de 2,24 Pa. Os vários métodos de preparação beneficiam as características morfológicas e físicas das pastas de cátodo, pela obtenção de uma excelente dispersão e distribuição homogénea das partículas dos materiais constituintes, permitindo alcançar um bom nível de condutividade elétrica para todos os cátodos produzidos. Os testes eletroquímicos revelam uma boa performance dos cátodos, sendo de realçar a amostra desenvolvida com o polímero SBS 718 que apresenta uma capacidade de 133 mAh·g-1, após 50 ciclos, a uma taxa C. Os diferentes polímeros e métodos de preparação utilizados, possibilitam a produção bem-sucedida e eficaz das pastas de cátodo, com recurso a um solvente verde. Assim, este trabalho contribui para o desenvolvimento de baterias impressas de ião-lítio mais sustentáveis e eficientes, através da produção de cátodos amigos do ambiente.

The technological evolution verified over the years has contributed to consolidate the fact that electric energy plays an important role in the operation of electronic devices, particularly endowed with mobility. As such, there is a need to store energy, trough systems that ensure a compromise between efficiency and environmental sustainability. Thus, lithium-ion batteries are a reliable technology for integration into electronic smart devices, sensors and actuators, with the possibility of being mobile and flexible, particularly useful in the context of the Internet of Things. In addition, they are also appropriate for their incorporation in electric and hybrid vehicles, as well as in renewable energy production and management systems, contributing to develop the concepts of smart home, smart city and smart grid. The present work consisted in the production of conductive inks for cathodes, based on lithium iron phosphate active material, C-LiFePO4 (LFP), carbon black conductive material (C45), cyclopentyl methyl ether solvent (CPME), and with three different polymers (SBS 718, SEBS 108C and SEBS H6110). It is important to mention that, in the development of the inks, three different preparation methods were considered for a given polymer, and their rheological properties were analyzed. The cathodes were physically, morphologically and eletrically characterized, and then electrochemically evaluated through their incorporation into Swagelok half-cell lithium-ion batteries, using metallic lithium anodes and Whatman membranes as separator, immersed in an electrolytic solution of lithium hexafluorophosphate (LiPF6) dissolved in ethylene carbonate (EC) and dimethyl carbonate (DMC). With respect to the obtained results, the favorable rheological properties of the inks, allow their processing by screen printing, with a yield stress of 2,24 Pa. The different preparation methods benefit the morphological and physical characteristics of the cathodes slurries, by obtaining an excellent dispersion and homogenous distribution of the particles of the constituent materials, making it possible to achieve a good level of electrical conductivity for all the produced cathodes. The electrochemical tests show a good performance of the cathodes, with emphasis to the sample developed with the polymer SBS 718, which achieves a capacity of 133 mAh·g-1, after 50 cycles, at a C rate. The different polymers and preparation methods used in this work, enable the successful and effective production of the cathode slurries, considering an ecological approach by using a green solvent. Thus, this work contributes to the development of more sustainable and efficient printed lithiumion batteries, through the production of environmentally friendly cathodes.