Baterias de Ião-Lítio mais amigas do ambiente

Abstract

Um dos desafios energéticos atuais é desenvolver sistemas de armazenamento de energia, i.e, baterias, com grande capacidade e, segurança sem esquecer as questões ambientais. Atualmente, as baterias mais utilizadas nas mais variadas aplicações (computadores, relógios, telemóveis, carros elétricos, etc) são as baterias de ião de lítio devido as suas características tais como serem leves, finas e de elevada capacidade. Os seus componentes são dois elétrodos (ânodo e cátodo) e um separador/eletrólito. Normalmente, os elétrodos são produzidos recorrendo a um solvente tóxico e o eletrólito usado tem um solvente orgânico na sua constituição que pode ser explosivo. Tendo em conta os desafios das baterias em termos ambientais e em seguridade, nesta dissertação realizou-se um estudo do material do ânodo de uma bateria ião lítio de modo a substituir o solvente tóxico por um solvente denominado “verde” e também otimizar todas as etapas de processamento da pasta deste elétrodo usando esse solvente e comparando com o solvente convencional. Demonstrou-se que é possível produzir uma pasta de elétrodo para ânodo através da grafite como material ativo recorrendo ao solvente dimetil propileno ureia (DMPU) denominado solvente “verde”. Esta pasta do elétrodo apresenta uma viscosidade adequada para aplicação em várias técnicas de processamento como “doctor blade”, “screen-printing”. Em relação aos ensaios eletroquímicos, o ânodo produzido tem uma capacidade de 349 mAh.g-1 a C/5 após 45 ciclos de carga-descarga, valor semelhante ao obtido através do uso do solvente tóxico. Também o solvente “verde” foi usado na produção da membrana porosa, i.e, separador e o eletrólito utilizado neste caso um líquido iónico não é explosivo e é amigo do ambiente. Provou-se que foi possível produzir um novo separador de bateria baseado no poli (fluoreto de vinilideno) através do uso do solvente “verde” e que este separador apresenta uma estrutura porosa com 20% de porosidade e tamanho de poro abaixo de 1μm. A sua condutividade iónica, tortuosidade e número de MacMullin são 0.1 mS.cm-1, 4 e 82, respetivamente. Este separador embebido em líquido iónico apresenta uma capacidade de descarga na ordem dos 45 mAh.g-1 e uma capacidade de retenção de 60% na qual demonstra-se que é possível produzir um separador de bateria completamente amigo do ambiente.

One of the current energy challenges is to develop energy storage systems, i.e., batteries, with large capacity, safety and not forgetting the environmental issues. Currently, the most commonly used batteries in the most varied applications (computers, watches, mobile phones, electric cars, etc.) are lithium ion batteries because of their characteristics such as being light, thin, and with high capacity. The main components of these batteries are two electrodes (anode and cathode) and a separator/electrolyte. Normally, the electrodes are produced using a toxic solvent and the used electrolyte has an organic solvent in its constitution that can be explosive. Looking upon the challenges of the batteries in terms of environmental impact and safety, this dissertation carried out a study of the anode material of a lithium ion battery to replace the toxic solvent by a so-called "green" solvent and also optimize all the steps of the slurry process of this electrode using this solvent and comparing with the conventional solvent. It has been demonstrated that it is possible to produce an electrode slurry to anode through the graphite as active material using the dimethyl propylene urea solvent (DMPU) called "green" solvent. This electrode slurry has a suitable viscosity for application in various processing techniques such as "doctor blade" and "screen-printing". Regarding the electrochemical tests, the produced anode has a capacity of 349 mAh.g 1-C/5 after 45 cycles of charge-discharge, similar to the value obtained through the use of toxic solvent. Also the "green" solvent was used in the production of the porous membrane, i.e., the separator and the electrolyte used in this case an ionic liquid which is not explosive and environmentally friendly. It has been proved that it is possible to produce a new battery separator based on poly (vinylidene fluoride) through the use of "green" solvent and this separator shown a porous structure with 20% porosity and pore size below 1μm. Its ionic conductivity, tortuosity and the MacMullin number are 0.1 mS.cm-1,4 and 82, respectively. This separator soaked in ionic liquid has a discharge capacity of 45 mAh.g-1 and a 60% retention capacity in which it is demonstrated that it is possible to produce a battery separator completely environmentally friendly.