Estendendo o baixo

Nature Communications volume 13, número do artigo: 4934 (2022) Citar este artigo

7661 Acessos

26 citações

8 Altmétrico

Detalhes das métricas

Baterias não aquosas à base de sódio são candidatas ideais para a próxima geração de dispositivos eletroquímicos de armazenamento de energia. No entanto, apesar do desempenho promissor à temperatura ambiente, sua operação em baixa temperatura (por exemplo, <0 °C) é prejudicada pelo aumento na resistência do eletrólito e pela instabilidade da interfase do eletrólito sólido (SEI). Aqui, para contornar essas questões, propomos formulações eletrolíticas específicas compreendendo solventes lineares e cíclicos à base de éter e sal trifluorometanossulfonato de sódio que são termicamente estáveis ​​até -150 ° C e permitem a formação de um SEI estável em baixas temperaturas. Quando testados na configuração de célula tipo moeda Na||Na, os eletrólitos de baixa temperatura permitem ciclos de longo prazo até -80 °C. Através de medições de eletrodos físico-químicos ex situ (por exemplo, espectroscopia de fotoelétrons de raios X, microscopia eletrônica de transmissão criogênica e microscopia de força atômica) e cálculos da teoria do funcional de densidade, investigamos os mecanismos responsáveis ​​pelo desempenho eletroquímico eficiente em baixa temperatura. Também relatamos a montagem e teste entre -20 °C e -60 °C de células tipo moeda completas de Na||Na3V2(PO4)3. A célula testada a -40 °C apresenta uma capacidade de descarga inicial de 68 mAh g-1 com uma retenção de capacidade de aproximadamente 94% após 100 ciclos a 22 mA g-1.

As baterias de íons de lítio (LIBs) têm sido amplamente utilizadas em eletrônicos portáteis e veículos elétricos devido à sua alta densidade de energia e longo ciclo de vida1,2,3. No entanto, sofrem inevitavelmente de graves perdas de energia em ambientes frios, especialmente quando a temperatura desce abaixo de -20 °C4,5. Esse fraco desempenho em baixas temperaturas limita sua aplicação em missões aeronáuticas/espaciais, expedições polares e muitas instalações militares e civis em regiões frias, nas quais é necessária uma temperatura de operação da bateria abaixo de -40 °C4,6.

A busca por um sistema com características atraentes de armazenamento de energia eletroquímica além das tecnologias baseadas em Li seria promissora para enfrentar os desafios associados à operação em baixa temperatura. Como metal alcalino, o sódio (Na) se destaca por compartilhar muitas propriedades químicas e físicas com o Li, sendo substancialmente mais abundante naturalmente7,8,9. O Na tem uma primeira energia de ionização menor que o Li (495,8 vs. 520,2 kJ mol-1)10, o que pode contribuir para melhorar a reatividade química/eletroquímica e facilitar reações eletroquímicas em ambientes frios. O metal Na desempenha um papel crucial como material anódico para baterias de Na devido ao seu baixo potencial de eletrodo (-2,714 V vs. eletrodo de hidrogênio padrão) e alta capacidade específica teórica (1166 mAh g-1)7,8,9,11,12 ,13,14. No entanto, a investigação de baterias de Na a baixas temperaturas tem sido limitada e, em particular, falta em grande parte uma compreensão do comportamento do metal Na como eletrodo .

A habilitação da operação da bateria em baixa temperatura depende muito da natureza do eletrólito 19,20,21,22. A resistência do eletrólito aumenta rapidamente à medida que a temperatura cai devido aos pontos de congelamento/fusão relativamente altos dos solventes de carbonato não aquosos e à solubilidade reduzida dos sais condutores . Além disso, a interfase do eletrólito sólido (SEI) formada à temperatura ambiente pode não ser capaz de manter as mesmas capacidades de proteção sob condições frias para permitir um ciclo eficiente. Enquanto isso, a evolução estrutural e composicional em baixa temperatura do SEI formado no eletrodo metálico de Na ainda permanece indefinida.

Uma solução viável para contornar esses problemas é formular eletrólitos direcionados à operação em baixa temperatura, utilizando solventes com baixos pontos de fusão e sais capazes de formar um SEI estável. Aqui, aplicando tal estratégia eletrolítica, demonstramos que uma solução eletrolítica compreendendo um solvente de éter acíclico e um sal de Na compatível pode estender a temperatura operacional do metal Na para -40 ° C. Descobriu-se que o sal trifluorometanossulfonato (OTf) desempenha um papel crítico ao permitir a formação de um SEI estável em baixas temperaturas. Além disso, a adição de um solvente de éter cíclico para preparar uma solução eletrolítica de solvente binário pode expandir o limite de temperatura de termoestabilidade até -150 °C. Demonstramos revestimento/remoção de metal Na estável em células simétricas em baixas temperaturas até -80 ° C, exibindo um baixo sobrepotencial de ~ 150 mV por mais de 750 h. Este desempenho expande a capacidade operacional de baixa temperatura de eletrodos de metais alcalinos em soluções eletrolíticas não aquosas (ver Figura 1 Complementar e Tabela 1 Complementar para uma comparação com o estado da técnica). Caracterizações experimentais acopladas (por exemplo, espectroscopia de fotoelétrons de raios X, microscopia eletrônica de transmissão criogênica e microscopia de força atômica) e cálculos da teoria do funcional de densidade permitem uma compreensão das características mecanicistas que permitem um desempenho eletroquímico eficiente em baixa temperatura. Células tipo moeda completas de Na||Na3V2(PO4)3 também são montadas e testadas entre −20 °C e −60 °C. As células testadas a -40 °C e -60 °C mostram capacidades de descarga inicial de ~68 e 39 mAh g-1, respectivamente, com retenções de capacidade de ~94% e 91% após 100 ciclos a 22 mA g-1.