Estendendo o baixo

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

6568 Acessos

18 Citações

8 Altmétrica

Detalhes das métricas

As baterias não aquosas à base de sódio são candidatas ideais para a próxima geração de dispositivos de armazenamento de energia eletroquímica. No entanto, apesar do desempenho promissor em temperatura ambiente, sua operação em baixa temperatura (por exemplo, < 0 °C) é prejudicada pelo aumento da resistência do eletrólito e pela instabilidade da interfase do eletrólito sólido (SEI). Aqui, para contornar esses problemas, propomos formulações de eletrólitos específicos 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 um ciclo de longo prazo até -80 °C. Por meio de medições físico-químicas ex situ (por exemplo, espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, microscopia eletrônica de transmissão criogênica e microscopia de força atômica) e cálculos de teoria 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 Na||Na3V2(PO4)3 completas. A célula testada a −40 °C apresenta capacidade de descarga inicial de 68 mAh g−1 com retenção de capacidade de aproximadamente 94% após 100 ciclos a 22 mA g−1.

As baterias de íons de lítio (LIBs) têm sido extensivamente empregadas em eletrônicos portáteis e veículos elétricos devido à sua alta densidade de energia e longo ciclo de vida1,2,3. No entanto, eles inevitavelmente sofrem perdas severas de energia/potência em ambientes frios, especialmente quando a temperatura cai 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 recursos 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 as 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 em baixas temperaturas tem sido limitada e, em particular, uma compreensão do comportamento do metal Na como um eletrodo é amplamente inexistente15,16,17,18.

A habilitação da operação com bateria em baixa temperatura depende muito da natureza do eletrólito19,20,21,22. A resistência do eletrólito aumenta rapidamente à medida que a temperatura cai por causa dos pontos de congelamento/fusão relativamente altos de solventes de carbonato não aquosos e a solubilidade reduzida de sais condutores5,19. Além disso, a interfase de eletrólito sólido (SEI) formada à temperatura ambiente pode não ser capaz de manter as mesmas capacidades de proteção sob condições de frio para permitir um ciclo eficiente. Enquanto isso, a evolução estrutural e composicional de 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 usando solventes com baixo ponto de fusão e sais capazes de formar um SEI estável. Aqui, aplicando essa estratégia de eletrólito, demonstramos que uma solução eletrolítica compreendendo um solvente de éter acíclico e um sal de Na compatível pode estender a temperatura de operação do metal de Na para -40 °C. Verificou-se que o sal trifluorometanossulfonato (OTf) desempenha um papel crítico ao permitir a formação de um SEI estável a baixas temperaturas. Além disso, adicionar um solvente de éter cíclico para preparar uma solução de eletrólito de solvente binário pode expandir o limite de temperatura de termoestabilidade até -150 °C. Demonstramos revestimento/descascamento de Na metálico estável em células simétricas a baixas temperaturas de até -80 °C, exibindo um baixo sobrepotencial de ~150 mV por mais de 750 h. Esse desempenho expande a capacidade operacional de baixa temperatura de eletrodos de metal alcalino em soluções eletrolíticas não aquosas (consulte a Fig. 1 complementar e a Tabela 1 complementar para uma comparação com o estado da arte). Caracterizações experimentais acopladas (por exemplo, espectroscopia de fotoelétrons de raios-X, microscopia eletrônica de transmissão criogênica e microscopia de força atômica) e cálculos de teoria funcional de densidade permitem uma compreensão das características mecanísticas que permitem um desempenho eletroquímico eficiente em baixa temperatura. As células tipo moeda Na||Na3V2(PO4)3 também são montadas e testadas entre -20 °C e -60 °C. As células testadas a −40 °C e −60 °C apresentam 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.