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

Abstract

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 á temperatura ambiente, mas também o efeito de thermal shutdown aos 90 ºC.

Lithium-ion batteries (LIBs) represent one of the most efficient electrochemical energy storage systems and are currently the most widely used energy storage system for several applications. However, with an increase in energy density, the safety risks, fire, and explosion, have also grown and with them the frequency at which accidents occur around the world, reminding the essential role of safety requirements. The use of external safety devices is not effective in real working conditions and, therefore, safety mechanisms that act within the battery cell itself have been investigated to mitigate thermal runaway. In this context, thermal shutdown electrodes are a promising solution to this problem, given their high reliability, low cost, and ease of manufacturing and implementation in the industry. In this work, a cathode with thermal shutdown properties is designed for the first time, incorporating different percentages (2.5%, 5.0% and 7.5%) of Expancel® thermoplastic microspheres in the cathodic composition, where the polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene (PVDF TrFE-CFE) has been used as a polymer binder, carbon black (C45) as conductive additive and lithium iron phosphate (LFP) as active material. These microspheres expand with an increase of the temperature (80-95 ºC) inducing the disaggregation of the cathode components. The results showed a good dispersion of microspheres in the cathodes and cracks in those with the largest quantity of microspheres. The addition of microspheres does not induce significant changes in the chemical structure or thermal stability of the cathodes, however they affect the electrochemical performance. At a risk temperature of 90 ºC, the particles that make up the electrode are mostly disconnected in the cathodes with the microspheres, due to their volumetric expansion, which effectively disconnects the battery, contrary to the conventional cathode, which despite the difficulties in inserting/disinserting lithium continues to function, representing a potential safety risk. In conclusion, a new temperature-sensitive electrode has been developed, in which the addition of just 2.5% microspheres, not only leads to a better cycling performance of the battery at room temperature, but also leads to a thermal shutdown at 90 ºC.