Aplicação de líquidos iónicos em separadores de bateria

Abstract

O aumento da procura energética mundial e a aposta nas energias renováveis exige o desenvolvimento de sistemas de armazenamento de energia mais eficientes. Assim, a investigação na área das baterias surge como potencial solução, visando aumentar a capacidade de armazenamento, durabilidade e número de ciclos de carga/descarga que cada dipositivo pode efetuar. De grande relevância são também as questões ambientais, como a redução da perigosidade dos componentes da bateria, ou os problemas relacionados com a eliminação dos dispositivos em fim de vida. Os líquidos iónicos surgem, nos últimos anos, como material de grande potencial para utilização em dispositivos energéticos. A sua grande estabilidade térmica e eletroquímica, boas propriedades como solventes e baixa pressão de vapor tornamnos numa excelente opção para aplicação como solventes orgânicos ou em eletrólitos sólidos. Além disso, a grande variedade de líquidos iónicos existentes permite criar materiais com as características desejadas para cada aplicação. O trabalho desenvolvido focou-se no desenvolvimento de filmes poliméricos de Polifluoreto de Vinilideno dopados com nove líquidos iónicos constituídos por diferentes catiões de modo a avaliar o seu potencial de utilização em baterias de ião- Lítio. Os filmes foram avaliados quanto às suas características eletroquímicas, mecânicas e térmicas, de modo a concluir qual o filem de maior potencial para utilização em baterias. Concluiu-se que a utilização de líquidos iónicos melhora as propriedades eletroquímicas e mecânicas dos filmes, mas diminui a sua estabilidade térmica. Foi demonstrada a influência dos líquidos iónicos na fase do polímero, com um aumento significativo da fase β. De entre os líquidos iónicos analisados, o [etmim][NTf2] foi o que apresentou as melhores propriedades elétricas, tendo sido, por isso, estudado de forma mais detalhada ao nível das propriedades eletroquímicas. O funcionamento deste filme como separador de uma bateria foi comprovado após construção do dispositivo; no entanto, esta apresentou uma capacidade de apenas 28 mAh/g, sendo necessário o melhoramento das características da mesma.

The world increasing demand for energy and the recent focus on renewable energy sources requires the development of new and more efficient energy storage systems. In this context, batteries appear as the main candidates for this purpose. Research in this area aims to increase the storage capacity of the current batteries, their durability and number of charge/discharge cycles. Environmental issues, such as the reduction of the hazardousness off battery components, or disposal problems of the devices no longer used are of great relevance within this investigation field. Recently, ionic liquids have emerged as a great potential material for application in energy storage devices. Their high thermal and electrochemical stability, good properties as solvents and low vapour pressure, make them an excellent option to applications as organic solvents or solid electrolytes. In addition, the wide range of ionic liquids available enable the creation of new materials with the desired properties for each application. The present work focused on the development of Polivinilidene Fluoride polymer films doped with nine ionic liquids with different cations, to evaluate their potential of use in lithium-ion batteries. Films were analysed regarding their electrochemical, mechanical and thermal characteristics, aiming to conclude which ionic liquid has the best potential for application in batteries. The results showed that the use of ionic liquids improves the electrochemical and mechanical properties of the films, but decreases their thermal stability. It has been shown the influence of ionic liquids in the polymer phase, increasing the β-phase. After the analysis of several ionic liquids, it was also concluded that [etmim][NTf2] presents the best electrical properties and was selected for further electrochemical studies. The applicability of this film was proven as a possible battery separator through the construction of such a device; however, its discharge capacity was only 28 mAh/g, requiring still further improvement.