Bateria de lítio-enxofre

A bateria de lítio-enxofre (Li-S) é um tipo de bateria recarregável, notável por sua alta energia específica.^[1] O baixo peso atômico do lítio e o peso atômico moderado do enxofre significa que as baterias Li-S são relativamente leves (aproximadamente a densidade da água). Elas foram usados no mais longo e de maior altitude vôo de avião movido a energia solar em agosto de 2008.^[2] As baterias de lítio-enxofre têm menos impacto ambiental e são muito mais baratas, em comparação com as baterias de íon-lítio que atualmente alimentam telefones, tablets e laptops.^[3]

Química

Os processos químicos na célula Li-S incluem dissolução de lítio da superfície ânodo (e incorporação em sais de polissulfeto de metal alcalino) durante a descarga e inverção da galvanoplastia de lítio no ânodo durante o carregamento.^[4]

Ânodo

Na superfície anódica, ocorre a dissolução do lítio metálico, com a produção de elétrons e íons de lítio durante a descarga e a eletrodeposição durante a carga.

A semi-reação é expressa como:^[5] ${\displaystyle {\ce {Li <=> Li+ + e-}}}$

Em analogia com as baterias de lítio, a reação de dissolução / eletrodeposição causa, com o tempo, problemas de crescimento instável da interface sólido-eletrólito (SEI), gerando locais ativos para a nucleação e crescimento dendrítico do lítio. Dendritic growth is responsible for the internal short circuit in lithium batteries and leads to the death of the battery itself.^[6]

Cátodo

Nas baterias Li-S, a energia é armazenada no eletrodo de enxofre (S ₈ ). Durante a descarga, os íons de lítio no eletrólito migram para o cátodo, onde o enxofre é reduzido a sulfeto de lítio (Li ₂ S). O enxofre é reoxidado para S₈ durante a fase de recarga. A semi-reação é, portanto, expressa como:

${\displaystyle {\ce {S + 2Li+ + 2e- <=> Li2S}}}$ (E ° ≈ 2.15 V vs Li / Li ⁺ )

Na verdade, a reação de redução de enxofre ao sulfeto de lítio é muito mais complexa e envolve a formação de polissulfetos de lítio (Li ₂ S _x , 8 <x <1 ) ao diminuir o comprimento da corrente de acordo com a ordem:^[7]

${\displaystyle {\ce {Li2S8->Li2S6->Li2S4->Li2S2->Li2S}}}$

O produto final é na verdade uma mistura de Li ₂ S ₂ e Li ₂ S ao invés de Li ₂ S puro, devido à redução cinética lenta em Li ₂ S.^[8] Isso contrasta com as células convencionais de íons de lítio, onde os íons de lítio são intercalados no ânodo e nos catodos. Cada átomo de enxofre pode hospedar dois íons de lítio. Normalmente, as baterias de íon-lítio acomodam apenas 0,5-0,7 íons de lítio por átomo hospedeiro.^[9] Consequentemente, o Li-S permite uma densidade de armazenamento de lítio muito maior. Os polissulfetos são reduzidos na superfície do cátodo em sequência enquanto a célula está descarregando:

S₈ → Li₂S₈ → Li₂S₆ → Li₂S₄ → Li₂S₃

Através de um separador de difusão porosa, polímeros de enxofre se formam no cátodo enquanto a célula carrega:

Li₂S → Li₂S₂ → Li₂S₃ → Li₂S₄ → Li₂S₆ → Li₂S₈ → S₈

Essas reações são análogas às da bateria de sódio e enxofre.

Os principais desafios das baterias Li-S são a baixa condutividade do enxofre e sua enorme mudança de volume ao descarregar e encontrar um cátodo adequado é o primeiro passo para a comercialização de baterias Li-S.^[10] Portanto, a maioria dos pesquisadores usa um cátodo de carbono/enxofre e um ânodo de lítio.^[11] O enxofre é muito barato, mas praticamente não tem eletrocondutividade, 5×10⁻³⁰ S⋅cm⁻¹ em 25 °C.^[12] Um revestimento de carbono fornece a eletrocondutividade ausente. As nanofibras de carbono fornecem um caminho eficaz de condução de elétrons e integridade estrutural, com a desvantagem do custo mais alto.^[13]

Um problema com o projeto lítio-enxofre é que, quando o enxofre no cátodo absorve lítio, a expansão do volume das composições do Li_xS acontece, e expansão de volume prevista de Li₂S é quase 80% do volume do enxofre original.^[14] Isso causa grandes tensões mecânicas no cátodo, que é uma das principais causas de degradação rápida. Esse processo reduz o contato entre o carbono e o enxofre e evita o fluxo de íons de lítio para a superfície do carbono.^[15]

As propriedades mecânicas dos compostos de enxofre litiado são fortemente dependentes do teor de lítio e, com o aumento do teor de lítio, a resistência dos compostos de enxofre litiado melhora, embora esse incremento não seja linear com a litiação.^[16]

Uma das principais deficiências da maioria das células Li-S são as reações indesejadas com os eletrólitos. Enquanto S e Li₂S são relativamente insolúveis na maioria dos eletrólitos, muitos polissulfetos intermediários não são. Dissolvendo Li₂S_n em eletrólitos causa perda irreversível de enxofre ativo.^[17] O uso de lítio altamente reativo como eletrodo negativo causa dissociação da maioria dos eletrólitos de outro tipo comumente usados. O uso de uma camada protetora na superfície do ânodo foi estudado para melhorar a segurança das células, ou seja, o uso de revestimento de Teflon mostrou melhora na estabilidade do eletrólito,^[18] LIPON, Li₃N também exibiu desempenho promissor.

Pesquisas

Pesquisadores australianos desenvolveram o que eles afirmam ser a "bateria de lítio-enxofre mais eficiente” disponível para 2020. Esse dispositivo pode estender a autonomia do seu telefone por cinco dias consecutivos sem recarga. Seu uso em carros elétricos, onde poderia oferecer um alcance de mais de 1000 km sem reabastecimento e faz o telefone celular funcionar por cinco dias contínuos.^[3]

Referências

• Portal da física
• Portal da química
• Portal da tecnologia