Polymeric-based ternary solid-state electrolytes for Lithium-ion batteries. Computer modeling of solid-state batteries

Abstract

A crescente exigência energética requer a toma de medidas ao nível tecnológico, nomeadamente o desenvolvimento de aparelhos com capacidade de armazenamento de energia, como é o caso das baterias. Hoje em dia as baterias de ião-lítio ainda representam um perigo à sociedade pois são aparelhos que, devido à sua constituição com uma componente liquida, tem alguns riscos associados. A busca por uma solução de modo a mitigar as desvantagens associadas às baterias comerciais culmina nos eletrólitos em estado sólido. Os eletrólitos sólidos ternários de base polimérica mostram ser uma aposta relevante. Este trabalho aborda a síntese de novos materiais (eletrólitos sólidos) para baterias de próxima geração. Por conseguinte, foram sintetizados eletrólitos sólidos com uma base polimérica dopados com partículas cerâmicas (BTO, BST e PZT) e líquido iónico, de modo a se obter uma melhor performance destes materiais. Posteriormente as características físicas, morfológicas e eletroquímicas foram estudadas. O liquido iónico detem a capacidade de melhorar a condutividade ionica em eletrólitos sólidos, tornando-os mais eficientes na condução de iões Litío, o que é crucial em dispositivos de armazenamento de energia. Por outro lado, as particulas cerâmicas reforçam a matriz sólida do eletrólito, melhorando sua resistência mecânica e estabilidade térmica. A componente experimental foi acompanhada por uma secção teórica que permitiu um conhecimento mais profundo sobre o funcionamento da bateria. O modelo formulado foi baseado na componente física da bateria, o qual foi elaborado de raiz contribuindo para um profundo conhecimento da componente numérica associada à bateria. Apartir deste estudo foi percétivel uma bénefica influência tanto por parte das particulas cerâmicas e do liquido iónico, promovendo uma melhor performance da bateria, obtendo-se uma condutividade iónica na ordem dos 1.34 × 10−5 S/cm, complementada por uma performance ao nível da capacidade muito próxima da teórica. O desempenho da bateria com os componentes BST/IL e BTO/IL mostrou-se bem-sucedido em ciclagens de longa duração, mantendo uma capacidade e estabilidade elevadas. No entanto, ao aplicar taxas de descarga variáveis, a amostra BST/IL destacou-se com resultados superiores, demonstrando uma maior estabilidade em comparação com as outras amostras. A componente teórica sempre de forma paralela permite o enriquecimento dos processos físicos que dominam a componente experimental. Concluindo, neste trabalho foram desenvolvidos electrolitos sólidos com excelente performance, paralelamente o desenvolvimento teórico foi imprescindível para uma melhor compreensão dos mecanismos que promovem o funcionamento de baterias de estado solido. Tudo isto é essencial para a sintese e uma contínua progressão na próxima geração de electrólitos sólidos.

The increasing demand for energy necessitates technological measures, particularly the development of energy storage devices such as batteries. Nowadays, lithium-ion batteries still pose a risk to society due to their liquid component. The quest for a solution to mitigate the drawbacks associated with commercial batteries leads to solid-state electrolytes. Ternary solid polymer electrolytes prove to be a promising area of study. This work addresses the synthesis of new materials (solid-state electrolytes) for next-generation batteries. Conse quently, solid-state electrolytes were synthesized based on a polymer matrix doped with ceramic particles (BTO, BST, and PZT) and an ionic liquid, aiming to enhance their performance. Subsequently, their physical, morphologi cal, and electrochemical characteristics were studied. The ionic liquid has the capacity to improve ionic conductivity in solid-state electrolytes, making them more efficient in conducting lithium ions, which is crucial in energy stor age devices. On the other hand, ceramic particles reinforce the solid electrolyte matrix, enhancing its mechanical strength and thermal stability. The experimental component was complemented by a theoretical section, providing a deeper understanding of battery operation. The formulated model was based on the physical aspects of the battery and was developed from the ground up, contributing to a comprehensive understanding of the numerical aspects associated with the battery. From this study, a beneficial influence of both ceramic particles and the ionic liquid was evident, leading to improved battery performance. Ionic conductivity on the order of 1.34 × 10−5 S/cm was achieved, accompanied by a capacity performance very close to the theoretical values. The battery’s performance with BST/IL and BTO/IL blend proved to be successful in long-life cycling, bearing a high capacity and stability. Whereas when applying varying C-rates, the BST/IL blend stood out with superior results, revealing higher stability, when compared to the other samples. The theoretical component, running in parallel, enriches the understanding of the physical processes governing the experimental component. In conclusion, this work resulted in the development of solid-state electrolytes with excellent performance. Simulta neously, the theoretical development was indispensable for a better comprehension of the mechanisms driving the operation of solid-state batteries. All of this is essential for synthesis and the continuous advancement of the next generation of solid-state electrolytes.