Desenvolvimento de cátodos para baterias de lítio impressas

Abstract

Neste trabalho foram desenvolvidas tintas para cátodos baseadas no material ativo lítio fosfato de ferro (C-LiFePO4) e com solvente DMPU (dimetil propileno ureia), para a produção de cátodos para baterias impressas de ião-lítio. Este solvente foi escolhido por ser mais amigo do ambiente do que o convencional NMP (N-Metil-pirrolidona). O polímero ligante utilizado foi o poli (fluoreto de vinilideno). Foram realizados testes para comparar as propriedades morfológicas, elétricas e eletroquímicas dos elétrodos com tintas produzidas com um solvente mais convencional. Estes testes serviram também para comparar as duas técnicas de impressão utilizadas na produção dos elétrodos, screen printing e Doctor Blade. Além destas duas variáveis também se estudou a influência da concentração do solvente nas tintas, produzindo-se tintas com concentração de solvente de 2,25mL/g e 2,5mL/g. Na parte reológica, as tintas produzidas com o solvente DMPU apresentam um maior pseudoplasticidade do que as produzidas com o solvente convencional. A pasta 2,25mL apresenta uma viscosidade de 3Pa.s e a 2,5mL de 2Pa.s, para uma taxa de corte de 100 s-1, sendo que ambas podem ser impressas pelas duas técnicas de impressão. Nos testes eletroquímicos, conseguiu-se atingir uma capacidade de 52 mAh.g-1 a uma taxa de 2C após 45 ciclos, com a pasta 2,25mL de DMPU impressa por screen printing. Este cátodo, combinado com ânodo baseado em grafite, a partir do solvente DMPU e impresso pela técnica screen printing, foi produzida uma full-cell com capacidade de descarga de 81mAh.g-1, com cerca de 64% de taxa de retenção. Os elétrodos desenvolvidos neste trabalho vêm dar um contributo relevante no que diz respeito a baterias impressas com elétrodos mais amigos do ambiente.

In this work inks based on the active material lithium iron phosphate (C-LiFePO4 - LFP) with dimethylpropyleneurea (DMPU) as solvent were developed to produce cathodes for printed lithium-ion batteries. The polymer binder was PVDF (Poly(vinylidene fluoride)). DMPU solvent was chosen due to its environmental friendlier properties, compared with the conventional solvent Nmethyl- 2-pyrrolidone (NMP). Morphological, electrical and electrochemical tests were performed in order to compare the properties of the inks produced with both solvents. Two more variables were compared in this work, Screen Printing and Doctor Blade techniques and the relative concentration of the solvent: 2,25mL/g and 2,5mL/g. Rheological tests showed that DMPU produced inks with higher shear thinning than the ones produced with NMP solvent. Both 2,25 mL and 2,5 mL solvent pastes can be printable by the two techniques, as both pastes show a viscosity of 3 and 2 Pa.s for a shear rate of 100.s-1. In the electrochemical tests, the electrodes printed by screen printing technique with the 2,25mL DMPU ink showed a 52 mAh.g-1 capacity at a 2C rate after 45 cycles. A full-cell was fabricated with this cathode, combined with an anode based on graphite, with DMPU solvent and printed by screen printing technique. This full-cell reached a discharge capacity of 81 mAh.g-1, with a retention rate of 64%. The electrodes developed in this work are an important contribution in the study of new printable batteries, with the approach to more environmental friendly electrodes.