O microscópio de força atômica permite um melhor entendimento da estrutura dos eletrodos para as baterias de íon – lítio. Propriedades elétricas locais e topografia da superfície foram investigadas e se mostraram muito úteis como indicadores de desempenho chave para otimização como a alta taxa capacitiva e  capacidade de retenção

Nos últimos anos, muitos esforços foram feitos para aumentar a densidade de energia e de potência, bem como o ciclo de vida das baterias de íon – lítio para atender à crescente demanda por dispositivos de armazenamento para aplicações móveis e estacionárias. Neste sentido, o foco é principalmente definido para o desenvolvimento de novos materiais, como materiais eletroquimicamente ativos para o cátodo e para o anôdo, ligantes e coletores de corrente. Contudo, as propriedades eletroquímicas de um eletrodo não são determinadas apenas pelos próprios componentes, mas também por seu processamento ou pela formulação do eletrodo.

Neste trabalho a Anton Paar mostra a influência da quantidade de negro de fumo na estrutura e nas propriedades eletroquímicas dos eletrodos LiFePO4. Por um lado, o teor de aditivos deve ser o mais baixo possível para produzir uma alta densidade de energia. Por outro lado, o teor de aditivos deve ser tão alto quanto necessário para garantir a funcionalidade do eletrodo da bateria.

Geralmente, o negro de fumo serve como um aditivo condutor nos eletrodos da bateria para aumentar o transporte de elétrons entre as partículas eletroquimicamente ativas. O objetivo do estudo foi investigar o quanto o negro de fumo é essencial para obter cátodos de LiFePO4 com alta eficiência. Para tanto, foram preparados eletrodos de LiFePO4 com 0, 2, 5 e 10% em peso de negro de fumo. A estrutura, bem como a condutividade elétrica local dos eletrodos correspondentes foram investigadas por microscopia de força atômica. Por fim, os eletrodos foram analisados eletroquimicamente.

Parte experimental

As investigações de microscopia de força atômica foram realizadas no AFM Tosca 400 da Anton Paar. O modo intermitente foi usado para as investigações topográficas usando um cantilever AP-Arrow NCR com uma frequência de ressonância típica de 285 kHz e constante elástica da mola de 42 N/m. O cantilever possui um revestimento eletricamente condutor de Pt/Ir. O modo C-AFM detecta a corrente entre a ponta do cantilever e a amostra devido à tensão constante aplicada. A tensão aplicada variou de 10 – 500 mV. Os experimentos foram realizados em atmosfera ambiente sobre uma mesa ativa de isolamento antivibração e dentro de uma cabine de isolamento acústico. Ambos os componentes minimizam as fontes externas de ruído e fazem parte da configuração recomendada da série de AFMs Tosca da Anton Paar.

As amostras investigadas foram cátodos para baterias de íon – lítio compostas de fosfato de ferro-lítio disponível comercialmente (LFP, tamanho de partícula na faixa submicron) como material eletroquimicamente ativo, ácido poliacrílico (PAA, Alfa Aesar®, solução em água a 25% em peso) como aglutinante e negro de fumo (CB, Super-P Li™, Timcal) como aditivo condutor. A quantidade de ligante foi mantida constante e variou-se a proporção entre LFP e CB.

Primeiramente, o PAA foi dissolvido em uma mistura de solventes composta por 80% de água ultrapura e 20% de etanol grau analítico. Subsequentemente, foi adicionado o negro de fumo e a mistura foi sonicada durante 5 minutos. Após adição de LFP, a suspensão foi homogeneizada utilizando-se de um ultrassom por 2 minutos e de um turbo misturador por 1 h. As pastas resultantes foram fundidas em folha de alumínio (Alujet, espessura: 30 μm) usando uma lâmina de raspagem ajustável (largura do filme: 50 mm). Em seguida, os eletrodos foram pré-secos por 8h a uma temperatura de 90° C sob vácuo.

Finalmente, eletrodos circulares com diâmetro de 12 mm foram cortados a laser e secos a 90°C por 24 h sob vácuo. Os eletrodos finais totalizaram LFP (95, 93, 90 e 85% em peso), negro de fumo (0, 2, 5 e 10% em peso) e aglutinante (5% em peso). A carga de massa média de LFP foi entre 1,7 e 1,8 mg cm-2.

As medições eletroquímicas foram realizadas usando três células de eletrodos do tipo Swagelok®. A folha de lítio serviu como contador e eletrodo de referência. Lãs de polipropileno embebidas em eletrólito foram utilizadas como separadores. O eletrólito era uma solução de1M LiPF6 em carbonato de etileno e carbonato de dimetila (1/1, m/m). As células foram montadas em um glove-box cheio de argônio. Experimentos cíclicos foram realizados com um testador de bateria Basytec CTS Lab XL. Esses experimentos foram realizados na faixa de 2,8 e 3,8 V versus Li/Li +, aplicando-se várias correntes que correspondem a taxas C entre 1/20 e 16. Os experimentos cíclicos foram realizados como tripla determinação e os valores médios das capacidades são mostrados como resultados representativos.

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Anton Paar, baterias de íon - lítio, microscopia de força atômica, negro de fumo

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