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Novos elétrodos para baterias de ião de lítio com propriedades “thermal shutdown”

Detalhes bibliográficos
Resumo:	As baterias de ião lítio (LIBs) são um dos sistemas de armazenamento de energia eletroquímica mais eficientes, sendo atualmente o sistema de armazenamento mais utilizado para uma variedade de aplicações. No entanto, com o aumento da densidade de energia, os riscos de segurança, incêndio e explosão, têm se tornado também crescentes e a frequência com que ocorrem os acidentes em todo o mundo relembram que a segurança é um requisito essencial. A utilização dos dispositivos externos de segurança nem sempre se demonstram eficazes nas condições reais de trabalho e, portanto, têm sido investigados mecanismos de segurança que atuem dentro da própria célula da bateria, para mitigar a fuga térmica. Neste contexto os elétrodos thermal shutdown demonstram ser uma solução promissora para este problema, dada a sua alta confiabilidade, baixo custo e facilidade de fabricação e implementação na indústria. Neste trabalho é concebido pela primeira vez um cátodo com propriedades thermal shutdown, recorrendo á incorporação de diferentes percentagens (2,5%, 5,0% e 7,5%) de microsferas termoplásticas Expancel®, na pasta catódica, onde foi utilizado como polímero aglutinante o poli(fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno (PVDF-TrFE-CFE ), aditivo condutor o negro de fumo (C45) e como material ativo o lítio fosfato de ferro (LFP). Estas microsferas expandem com o aumento da temperatura (80-95 ºC), permitindo assim a desagregação dos componentes do cátodo. Nos resultados obtidos verificou-se uma boa dispersão das microsferas nos cátodos e a existência de fissuras nos que apresentam maior quantidade de microsferas. A adição das microsferas não induz a alterações significativas na estrutura química nem na estabilidade térmica dos cátodos, no entanto, afetam o desempenho eletroquímico. A uma temperatura de risco, aos 90 ºC, as partículas que integram o elétrodo são na sua maioria desconectadas nos cátodos com as microsferas, devido à sua expansão volumétrica, o que desliga de forma efetiva a bateria, contrariamente ao cátodo convencional, que apesar das dificuldades na inserção/desinserção do lítio continua a funcionar, representando potencial risco de segurança. Em conclusão, neste trabalho foi desenvolvido um novo elétrodo sensível à temperatura, onde com a adição de apenas 2,5% das microsferas é exibido não só um melhor desempenho de ciclagem à temperatura ambiente, mas também o efeito de thermal shutdown aos 90 ºC.
Autores principais:	Monteiro, Maria Inês Fernandes
Assunto:	Baterias de ião de lítio Segurança PVDF-TrFE-CFE Elétrodos Thermal shutdown Lithium-ion batteries Safety Electrodes Thermal shutdown
Ano:	2023
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade do Minho
Idioma:	português
Origem:	RepositóriUM - Universidade do Minho

Descrição
Resumo:	As baterias de ião lítio (LIBs) são um dos sistemas de armazenamento de energia eletroquímica mais eficientes, sendo atualmente o sistema de armazenamento mais utilizado para uma variedade de aplicações. No entanto, com o aumento da densidade de energia, os riscos de segurança, incêndio e explosão, têm se tornado também crescentes e a frequência com que ocorrem os acidentes em todo o mundo relembram que a segurança é um requisito essencial. A utilização dos dispositivos externos de segurança nem sempre se demonstram eficazes nas condições reais de trabalho e, portanto, têm sido investigados mecanismos de segurança que atuem dentro da própria célula da bateria, para mitigar a fuga térmica. Neste contexto os elétrodos thermal shutdown demonstram ser uma solução promissora para este problema, dada a sua alta confiabilidade, baixo custo e facilidade de fabricação e implementação na indústria. Neste trabalho é concebido pela primeira vez um cátodo com propriedades thermal shutdown, recorrendo á incorporação de diferentes percentagens (2,5%, 5,0% e 7,5%) de microsferas termoplásticas Expancel®, na pasta catódica, onde foi utilizado como polímero aglutinante o poli(fluoreto de vinilideno-trifluoroetileno-clorofluoroetileno (PVDF-TrFE-CFE ), aditivo condutor o negro de fumo (C45) e como material ativo o lítio fosfato de ferro (LFP). Estas microsferas expandem com o aumento da temperatura (80-95 ºC), permitindo assim a desagregação dos componentes do cátodo. Nos resultados obtidos verificou-se uma boa dispersão das microsferas nos cátodos e a existência de fissuras nos que apresentam maior quantidade de microsferas. A adição das microsferas não induz a alterações significativas na estrutura química nem na estabilidade térmica dos cátodos, no entanto, afetam o desempenho eletroquímico. A uma temperatura de risco, aos 90 ºC, as partículas que integram o elétrodo são na sua maioria desconectadas nos cátodos com as microsferas, devido à sua expansão volumétrica, o que desliga de forma efetiva a bateria, contrariamente ao cátodo convencional, que apesar das dificuldades na inserção/desinserção do lítio continua a funcionar, representando potencial risco de segurança. Em conclusão, neste trabalho foi desenvolvido um novo elétrodo sensível à temperatura, onde com a adição de apenas 2,5% das microsferas é exibido não só um melhor desempenho de ciclagem à temperatura ambiente, mas também o efeito de thermal shutdown aos 90 ºC.