Avaliação de polímeros fluorinados para o desenvolvimento de separadores de baterias de ião lítio

Abstract

As energias renováveis apresentam algumas limitações como por exemplo, serem instáveis temporalmente e dependentes das condições atmosféricas. Deste modo, torna-se necessário desenvolver sistemas de armazenamento de energia integrados nas energias renováveis. Assim sendo, a aposta em baterias tem despertado especial atenção, não só para este tipo de aplicações mas também para outras como dispositivos eletrónicos e veículos elétricos. As baterias são constituídas por diferentes componentes, sendo um deles o separador. Este tem uma função importante na bateria, uma vez que separa os elétrodos positivo e negativo, fornece estabilidade mecânica e é permeável aos iões. Na tentativa de melhorar este componente da bateria, no presente trabalho foram desenvolvidos filmes à base de diferentes polímeros fluorinados, o poli(fluoreto de vinilideno) (PVDF) com diferentes funcionalizações, e o poli(fluoreto de vinilideno-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP). Foram igualmente desenvolvidos compósitos à base de PVDF e PVDF-HFP contendo diferentes líquidos iónicos ( 1-etil-3-metilimidazólio bis(trifluorometilsulfonil)imida ([EMIM][TFSI]) e 1-butil-3-metilimidazólio tiocianato) ([BMIM][SCN]) com diferentes concentrações de IL (10%,20% e 40% (p/p)). Todos os filmes foram avaliados a nível das suas propriedades morfológicas, físico químicas, térmicas e elétricas por forma a estudar o efeito do tipo de matriz, tipo de IL e concentração de IL. Por último, foi avaliada a potencialidade dos materiais como separadores de baterias de ião-lítio. Através dos resultados obtidos foi possível verificar que a introdução dos IL’s induz alterações na morfologia dos filmes, sendo mais notória no caso dos compósitos de [BMIM][SCN]/PVDF e no caso do compósito PVDF-HFP com o mesmo IL. Independentemente do tipo de IL, a incorporação de IL na matriz de PVDF e PVDF-HFP induz uma diminuição no ângulo de contacto, a cristalização dos polímeros na fase polar β, aumenta a condutividade iónica, e induz um efeito plasticizante nos materiais. Por último, foi avaliada a performance dos filmes contendo o IL [BMIM][SCN] como separadores (eletrólitos sólidos) devido à sua maior condutividade iónica, tendo sido observada uma capacidade de descarga de 145 mAh.g-1 para a bateria com o separador com 40% de [BMIM][SCN] e a matriz polimérica PVDF-1.

Renewable energies have some limitations, in particular in terms of instability over time and dependence on weather conditions. Therefore, it is necessary to develop energy storage systems integrated with the renewable energy generators. In this contexto, batteries have attracted increasing attention, not only for applications this but also for electronic devices and electric vehicles. The batteries consist of different components, one of them being the separator. The battery separator has a very important function in the battery, since it separates the positive and negative electrodes, provides mechanical stability to the battery and is permeable to ions. Aiming to improve this battery component, this project was devoted to the developed of films based on different fluorinated polymers, polyvinylidene fluoride (PVDF) with different functionalization, and poly(vinylidene- co-hexafluoropropylene polyfluorene (PVDF-HFP). This study was conducted by also developing PVDF and PVDF-HFP based composites containing different ionic liquids (IL's) (1-ethyl-3-methylimidazolium bis (trifluoromethyl sulfonyl) imide ([EMIM] [TFSI]) and 1-butyl-3-methylimidazolium thiocyanate) ([BMIM] [SCN]) were also developed with different IL concentrations (10%, 20% and 40% (w / w)). All films were evaluated in terms of their morphological, physicochemical, thermal and electrical properties in order to study the effect of the matrix type, IL type and IL concentration. Finally, the potential of the materials as Li-ion battery separators was also evaluated. The obtained results allowed to conclude that the introduction of IL's induces modifications in the morphology of the films. These modifications are more noticeable in the case of the composites based on [BMIM] [SCN] / PVDF and in the case of the PVDF-HFP composite with the same IL. Regardless of the IL type, the incorporation of the IL into the PVDF and PVDF HFP matrix leads to a decrease in the contact angle, to the crystallization of polymers in the polar β phase, an increase of the ionic conductivity and induces a plasticizing effect on the materials. Finally, the performance of the IL [BMIM] [SCN] containing films as separators (solid electrolytes) was evaluated due to their higher ionic conductivity. A discharge capacity of 145 mAh.g-1 was observed for the battery with 40% of [BMIM] [SCN] and PVDF1 polymer matrix.