Armazenamento eletroquímico de energia: avaliação da eficiência de diferentes líquidos iônicos como eletrólitos para baterias de íon-sódio.

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Domingues, Leandro Souza
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Baterias de íon-sódio; Fósforo; Impurezas; Impurities; Ionic liquids; Líquidos iônicos; Nitrogen; Nitrogênio; Phosphorus; Sodium-ion batteries
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3133/tde-21082025-132123/

O objetivo deste projeto de pesquisa de doutorado é avaliar a viabilidade de diferentes líquidos iônicos (LIs) à base de nitrogênio e fósforo como eletrólitos para baterias de íons de sódio (SIBs), como alternativas aos eletrólitos convencionais à base de solventes orgânicos voláteis, e estudar o efeito das impurezas nas propriedades físicas e eletroquímicas dos LIs. Assim, o 1-butil-1-metilpirrolidínio (BMPyr+) e o 1- butil-2,3-dimetilimidazólio (BMMI+) foram selecionados como os cátions à base de nitrogênio, e o trietil(2-metoxietil)fosfônio (P222(2O1) +) e trietilpentilfosfônio (P2225 +) como os cátions à base de fósforo. O bis(trifluorometanossulfonil)imida (TFSI-) foi utilizado como o ânion. O desempenho eletroquímico desses LIs foi avaliado por meio de ciclos de carga e descarga galvanostáticos (GCD) usando o sal NaTFSI em diferentes concentrações. O eletrólito convencional constituído por 1,0 mol L-1 de NaClO4 em um solvente de carbonato foi escolhido para referência. Os materiais dos eletrodos selecionados foram o Na0.67Ni0.33Mn0.67O2 (NNM) e o carbono duro (HC), correspondendo aos eletrodos positivo e negativo da SIB, respectivamente. Para o estudo das impurezas, as espécies iônicas Li+ e Br- foram selecionadas e adicionadas, em diferentes concentrações, a mistura de BMPyr-TFSI com 0,5 mol L-1 de NaTFSI. Para avaliar o efeito do lítio e do brometo nas propriedades eletroquímicas dos LIs, a técnica de voltametria de varredura linear (LSV) foi empregada usando o coletor de corrente de Al como eletrodo. Como análises adicionais, as propriedades físicoqu ímicas como densidade, viscosidade e condutividade foram medidas para os LIs puros e suas misturas com NaTFSI. Entre os LIs puros, P222(2O1)-TFSI apresenta as melhores propriedades de transporte, seguido por BMPyr-TFSI, BMMI-TFSI e P2225- TFSI. Para misturas com NaTFSI, mostramos que a presença do sal degrada as propriedades físico-químicas de todos os LIs. Em comparação com o eletrólito de à base de carbonato, os LIs têm piores propriedades de transporte, o que reduz o desempenho da bateria. Para os testes de GCD realizados em taxas-C acima de C/20, ambos os materiais (NNM e HC) apresentaram baixa ciclabilidade em todos os LIs, em comparação com NaClO4, sendo mais pronunciado para os meios com maior concentração de sal. Além disso, a ciclagem em P222(2O1)-TFSI mostrou que o eletrólito é reativo com o metal Na, o que foi posteriormente confirmado pela imersão do metal em LI puro. Ao reduzir a densidade de corrente, o desempenho e a ciclabilidade de ambos os eletrodos melhoraram em todas as misturas à base de NaTFSI, atingindo capacidades e eficiências coulombicas mais próximas às observadas no eletrólito de referência. No caso do NNM, BMPyr-TFSI, BMMI-TFSI e P2225-TFSI apresentaram desempenhos semelhantes à C/100 e C/50, sugerindo que são alternativas adequadas como eletrólitos seguros para o NNM. Em contrapartida, à C/100 e C/50, o HC apresentou desempenho superior no BMMI-TFSI, em contraste com o P2225- TFSI e o BMPyr-TFSI. A resposta do P2225-TFSI é atribuída principalmente às suas propriedades de transporte, enquanto para o LI à base de pirrolidínio, os resultados podem indicar uma possível interação entre o HC e BMPyr+, prejudicando o desempenho do eletrodo. Portanto, o LI baseado em BMMI provou ser um substituto interessante para o eletrólito orgânico convencional para o HC. De modo análogo as propriedades físico-químicas dos LIs com o sal NaTFSI, a adição de Br- e Li+ demonstrou piorar as propriedades de transporte do BMPyr-TFSI. Os experimentos LSV mostraram que as misturas à base de pirrolidínio, com e sem o impureza de Li+, não apresentam reatividade com o eletrodo; no entanto, quando Br- foi adicionado ao LI foi observado um aumento mais pronunciado da corrente, sugerindo um possível aumento da reatividade do eletrólito em relação ao coletor de corrente.