Baterias de lítio-enxofre de bolso examinadas no BESSY II

Uma equipe do HZB e do Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Materiais e Vigas (IWS) em Dresden obteve novos insights sobre células de bolsa de lítio-enxofre na BAMline do BESSY II. Complementado por análises no laboratório de imagens HZB e outras medições, surge um novo e esclarecedor quadro de processos que limitam o desempenho e a vida útil deste tipo de bateria industrialmente relevante. O estudo foi publicado na renomada revista "Advanced Energy Materials".

As baterias de lítio-enxofre têm várias vantagens sobre as baterias de lítio convencionais: elas usam enxofre como matéria-prima abundante, não requerem o elemento crítico cobalto ou níquel e podem atingir uma densidade de energia específica extremamente alta. As células protótipos hoje já alcançam até 500 Wh/kg, quase o dobro das atuais baterias de íons de lítio.

No entanto, as baterias de lítio-enxofre são atualmente muito mais suscetíveis a processos de degradação: durante o carregamento e o descarregamento, polissulfetos dissolvidos e fases de enxofre se formam no eletrodo de lítio, o que reduz cada vez mais o desempenho e a vida útil da bateria. “Queremos esclarecer esses processos por meio de nossa pesquisa com o objetivo de melhorar especificamente esse tipo de bateria”, diz o físico do HZB, Dr. Sebastian Risse, que lidera uma equipe no HZB para análise operativa de baterias.

Ele se concentra nas chamadas células de bolsa, um formato de bateria amplamente utilizado na indústria. No Instituto HZB “Armazenamento de Energia Eletroquímica (CE-IEES)”, liderado pelo Prof. Yan Lu, foi criado um laboratório especializado na produção de baterias de lítio-enxofre neste “formato de bolso”. Aqui, uma grande variedade de baterias de lítio-enxofre de bolso podem ser fabricadas e testadas. Como parte do projeto BMBF “SkaLiS”, coordenado por Risse, a equipe de Risse, juntamente com um grupo do Instituto Fraunhofer de Tecnologia de Materiais e Vigas (IWS) em Dresden, publicou agora um estudo abrangente sobre células de bolsa de lítio-enxofre no periódico Advanced Energy Materials .

Para esse propósito, células de bateria foram investigadas em uma configuração desenvolvida no HZB usando diferentes métodos, como espectroscopia de impedância, distribuição de temperatura, medição de força e imagens de raios X (síncrotron e fonte de laboratório) durante o carregamento ou descarregamento. “Pela primeira vez, fomos capazes de observar e documentar tanto a formação de dendritos de lítio quanto a dissolução ou formação de cristais de enxofre durante a operação de baterias multicamadas”, diz o Dr. Rafael Müller, químico do HZB e principal autor do estudo.

“ Em particular, a radiografia de contraste de fase com luz síncrotron coerente na linha de luz BAM em BESSY II nos permitiu acompanhar a morfologia do metal lítio de fraca absorção. Fomos capazes de correlacionar esses insights com outros dados de medição para criar uma imagem abrangente.” Utilizando análises de raios X no laboratório de imagem do HZB em cooperação com o grupo do Dr. Ingo Manke também conseguiu analisar a formação de cristais de enxofre altamente absorventes durante a operação da bateria.

“Nossos resultados constroem uma ponte entre a pesquisa básica e a transferência de tecnologia, em particular, eles também permitem conclusões sobre a escalabilidade desta tecnologia de bateria e para o desenvolvimento posterior de sistemas de bateria de alta energia ”, diz Risse. Entre outras coisas, a equipe mostrou que uma nova abordagem de design da IWS Dresden é promissora: o coletor de corrente catódica perfurado e, portanto, significativamente mais leve, não afeta o desempenho da célula.

Os resultados deste estudo ajudarão a otimizar o desempenho e a vida útil das baterias de lítio-enxofre para que esse tipo promissor de bateria possa atender aos requisitos de sistemas de armazenamento de energia móveis e estacionários.