Laboratório francês explica a mobilidade do lítio em eletrólitos muito concentrados para baterias

O Laboratoire Léon Brillouin, em França, destacou em 22 de outubro um estudo sobre como eletrólitos de água em sal conseguem conduzir iões eficazmente mesmo quando o líquido se torna muito viscoso. Célia Doublet e os seus coautores combinaram várias técnicas experimentais para investigar soluções aquosas concentradas de bis(trifluorometanossulfonil)imida de lítio, ou LiTFSI. O artigo saiu no Journal of Physics: Energy em 8 de outubro; o anúncio posterior do laboratório apresenta essa investigação, e não uma bateria recentemente fabricada.

As experiências estudaram concentrações entre 0,5 e 21 moles de sal por quilograma de água. Com o aumento da concentração nesse intervalo, os coeficientes de autodifusão da água e do lítio diminuíram aproximadamente 18 vezes, enquanto a difusão dos aniões TFSI caiu mais de 35 vezes. As comparações descrevem alterações da mobilidade molecular, não velocidades de carregamento nem ganhos de capacidade energética das baterias.

A diferença sugere que as várias espécies não sentem a resistência do líquido da mesma maneira. Os investigadores interpretam as medições como evidência de regiões temporárias ricas em água dentro de uma estrutura envolvente rica em aniões. A água pode mover-se rapidamente dentro dessas pequenas regiões e passar entre elas. A estrutura reorganiza-se ao longo do tempo, oferecendo um mecanismo para pequenas espécies solvatadas manterem mobilidade apesar da viscosidade global crescente.

A equipa mediu viscosidade e condutividade juntamente com ressonância magnética nuclear de gradiente de campo pulsado e dispersão quase elástica de neutrões. A RMN acompanhou as espécies em distâncias maiores, enquanto os neutrões estudaram movimentos muito mais curtos. As experiências utilizaram SHARPER, IN16B e IN13 no Institut Laue–Langevin, em França, e FOCUS no Instituto Paul Scherrer, na Suíça. A análise separou autodifusão de longo alcance da água, movimento translacional localizado e rotação molecular, em vez de atribuir toda a mobilidade a um só processo.

A preparação das amostras foi importante porque LiTFSI absorve facilmente humidade. Os investigadores secaram o sal durante uma noite sob vácuo a 120°C, retiraram gases da água com árgon e prepararam as soluções numa caixa de luvas com árgon. As medições de RMN do ramo de temperatura elevada cobriram 25–45°C. A viscosidade foi medida geralmente entre 5 e 50°C, com limitações a baixa temperatura para as soluções mais concentradas devido à precipitação do sal. São condições experimentais, não limites de funcionamento recomendados para baterias comerciais.

O estudo comparou ainda medições de neutrões com e sem polarização aplicada de 1 volt, sem encontrar alterações detetáveis na dinâmica da água examinada por esse dispositivo. Os autores salientam que a experiência mediu sobretudo o volume do eletrólito: a contribuição da região interfacial muito fina era pequena demais para ser resolvida. O resultado não demonstra que os campos elétricos sejam ineficazes nas interfaces dos elétrodos ou noutras condições experimentais.

Segundo os autores, os parâmetros dinâmicos obtidos podem ajudar a restringir simulações de dinâmica molecular, incluindo versões apoiadas por aprendizagem automática. O contributo é uma explicação do transporte num sistema eletrolítico específico, sustentada experimentalmente. Fornece informação para conceção e modelização de materiais; o desempenho comercial continua a exigir provas separadas sobre células completas, durabilidade de ciclos, custos e escala de fabrico.