Inovação em Cerâmicas para Aplicação como Eletrólito Sólido em Baterias Metal-ar

Marcos A. C. Berton

Instituto SENAI de Inovação em Eletroquímica

Resumo
Muitas pesquisas tem sido desenvolvidas nas Instituições de Ciência e Tecnologia no Brasil na área de materiais cerâmicos para diversas aplicações. Neste trabalho serão apresentados alguns resultados e avanços na pesquisa de inovação desenvolvida no Instituto SENAI de Inovação em Eletroquímica (ISI-EQ), localizado em Curitiba-PR, na área de novos eletrólitos sólidos cerâmicos para aplicação em baterias de lítioar. A pesquisa tem sido desenvolvida em parceria com uma empresa do segmento de baterias para o setor automotivo. A empresa, aposta no desenvolvimento de novas tecnologias de acumuladores de energia para aplicação em veículos elétricos (e.g. baterias de lítio-ar), um mercado que tem se mostrado promissor a longo prazo. As baterias de lítio-ar, ou também chamadas de baterias de lítio-oxigênio, possuem densidade de energia teórica dez vezes maior do que as tradicionais baterias de íons lítio e, de uma forma resumida, pode-se dizer que esta bateria é composta de três partes fundamentais, a saber: um anodo de lítio metálico, um catodo composto de uma camada difusora de gás impregnada com catalisador e um eletrólito. O eletrólito pode ser líquido (aquoso ou não, misto) ou sólido (cerâmico). Neste trabalho são abordados a síntese e sinterização de eletrólitos cerâmicos a base de Li7La3Zr2O12 (LLZ) e Li5La3Nb2O12 (LLN) que possuem um grande potencial para aplicação como eletrólitos sólidos. Esses compostos foram preparados pela técnica de reação em estado sólido. O processo de sinterização foi realizado via técnica de SPS (Spark Plasma Sintering), onde uma amostra do pó preparado de LLZ ou LLN foi colocada em uma matriz de grafite. O processo de SPS utiliza uma câmara a vácuo, com uma corrente contínua pulsada e simultaneamente uma pressão de compactação uniaxial para consolidar os pós e uma taxa de aquecimento muito rápida. O aumento da pressão de compactação uniaxial possibilita que sejam obtidas cerâmicas com altos valores de densificação mantendo a mesma temperatura e tempo de patamar de sinterização. A temperatura de sinterização utilizado neste estudo variou numa faixa de 850 °C à 1100 °C; taxa de aquecimento e de resfriamento de 20°C/min e 100 °C/min; pressão de trabalho, sendo utilizadas as pressões de 40 MPa e 60 MPa e ainda, tempo de sinterização, variando entre 10 min e 30 min. Após a sinterização, todas as amostras foram submetidas a um tratamento térmico para remoção de carbono superficial residual, 100 °C abaixo da temperatura de sinterização, proveniente do processo de sinterização devido ao uso de matriz de grafite. A célula unitária para os testes experimentais foi construída em Teflon®. Os ensaios eletroquímicos na célula unitária foram realizados com auxílio de um potenciostato/galvanostao. As medidas de voltametrias cíclicas foram realizadas num intercalo de potencial de 2,0 V a 3,5 V versus lítio metálico, sob fluxo de gás oxigênio no lado do catodo. Os resultados deste projeto, que contempla o processo de síntese, sinterização, caracterização e desempenho da célula unitária montada, serão apresentados na palestra durante o 61°CBC.

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