Efeito da adição de líquidos iônicos em um copolímero elastomérico para preparação de eletrólitos sólidos para baterias de íon lítio
Data
2016-06-10
Autores
Silva Filho, Sinval Braz da 
Orientadores
Camilo, Fernanda Ferraz
Tipo
Dissertação de mestrado
Título da Revista
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Título de Volume
Resumo
The search for solid electrolytes for electrochemical devices (batteries, full cells) is object of intense research due to their benefits in comparison with the liquids, mainly due to the processability aspects, handling and leak elimination. Although studies involving solid polymeric electrolytes have 0been reported, the research for materials that combine good mechanical strength, elasticity, chemical and thermal stabilities and ionic conductivity is still emerging. In this context, the first part of this dissertation focuses on the preparation and characterization of solid polymeric electrolytes constituted by a commercial elastomer known as PEBAX-2533, containing 80% of polyether blocks (PE) and 20% of polyamide blocks (PA), modified with three different ionic liquids (EMImTf2N, EMImFAP, EMImTCB). In the next step, a lithium salt, LiTf2N, was added to PEBAX-2533 films containing 10% of the cited ionic liquids in order to produce solid polymer electrolytes for lithium ion batteries. PEBAX-2533 films containing more than 25% of the ionic liquids exhibited droplets on the surface of the film, indicating phase segregation. This was not observed for films containing 10% of the salt and therefore only these electrolytes were used in the further studies. The results showed that using this percentage, the ions of the ionic liquids are accommodated in the voids present in the amorphous regions of the elastomer. These films showed ionic conductivity around 10-6 Scm-1 at 25 ° C. When the lithium salt, LiTf2N, was added to these electrolytes of PEBAX-2533 and ionic liquids, the conductivity decreased due to the formation of aggregates of lithium cation and the anions of the ionic liquids, which have a low mobility, and therefore do not contribute for ionic conductivity. In addition, it was verified that the lithium clusters and ?free? Li+ also occupy the empty spaces on the elastomer and free Li+ establishes permanent ion-dipole interactions with the PE blocks. The electrolyte comprised of PEBAX-2533, ionic liquids and LiTf2N showed thermal stability up to 200 °C. With the addition of poly (ethylene oxide) (PEO) to PEBAX-2533 films containing 10% of EMImTf2N and LiTf2N at 40 °C, it was obtained an electrolyte with conductivity of 9.2 x 10-5 Scm-1.
A busca por eletrólitos sólidos para dispositivos eletroquímicos (baterias, células combustíveis) é objeto de intensa pesquisa devido aos seus benefícios com relação aos líquidos, principalmente, devido a aspectos de processabilidade, manuseio e supressão de vazamentos. Embora estudos envolvendo novos eletrólitos poliméricos sólidos tenham sido reportados, a investigação por materiais que combinem boa resistência mecânica, elasticidade, estabilidade química e térmica e condutividade iônica ainda é incipiente. Nesse contexto, a primeira parte dessa dissertação foca na preparação e caracterização de eletrólitos poliméricos sólidos constituídos por um elastômero comercial conhecido como PEBAX-2533, que contém 80 % de unidades de poliéter (PE) e 20 % de poliamida (PA), modificado com três diferentes líquidos iônicos (EMImTf2N, EMImFAP, EMImTCB). A seguir, um sal de lítio, LiTf2N, foi acrescentado aos filmes de PEBAX-2533 contendo 10 % dos líquidos iônicos citados a fim de produzir eletrólitos poliméricos sólidos para baterias de íons lítio. Os eletrólitos de PEBAX-2533 com quantidades de líquidos iônicos superiores a 25 % apresentaram gotículas do líquido na superfície do filme, indicando segregação das fases. Esse fato não foi observado para os filmes contendo 10 % do sal e, portanto, apenas esses eletrólitos foram utilizados nos estudos seguintes. Os resultados mostraram que nessa porcentagem, os íons dos líquidos iônicos acomodam-se nos espaços vazios existentes nas regiões amorfas do PEBAX-2533. Esses filmes apresentaram condutividade iônica na ordem de 10-6 Scm-1 a 25 oC. Quando o sal de lítio, LiTf2N, foi adicionado a esses eletrólitos precursores de PEBAX-2533 e líquidos iônicos, a condutividade diminuiu devido a formação de agregados de Li+ com os ânions dos líquidos iônicos, que apresentam baixa mobilidade e, portanto, não contribuem para o aumento da condutividade. Pelas análises, pode-se concluir que os agregados de Li+ com líquidos iônicos e os cátions Li+ livres também ocupam os espaços vazios do elastômero e que os íons livres de Li+ estabelecem interações íon-dipolo permanente com as cadeias de PE. Os eletrólitos compostos por PEBAX-2533, líquidos iônicos e LiTf2N apresentaram estabilidade térmica até 200 °C. Com a agregação de poli(óxido de etileno) (PEO) nos filmes de PEBAX-2533 e 10 % de líquidos iônicos acrescidos de LiTf2N a 40 oC obteve-se um eletrólito com condutividade da ordem de 9,2 x 10-5 Scm-1.
A busca por eletrólitos sólidos para dispositivos eletroquímicos (baterias, células combustíveis) é objeto de intensa pesquisa devido aos seus benefícios com relação aos líquidos, principalmente, devido a aspectos de processabilidade, manuseio e supressão de vazamentos. Embora estudos envolvendo novos eletrólitos poliméricos sólidos tenham sido reportados, a investigação por materiais que combinem boa resistência mecânica, elasticidade, estabilidade química e térmica e condutividade iônica ainda é incipiente. Nesse contexto, a primeira parte dessa dissertação foca na preparação e caracterização de eletrólitos poliméricos sólidos constituídos por um elastômero comercial conhecido como PEBAX-2533, que contém 80 % de unidades de poliéter (PE) e 20 % de poliamida (PA), modificado com três diferentes líquidos iônicos (EMImTf2N, EMImFAP, EMImTCB). A seguir, um sal de lítio, LiTf2N, foi acrescentado aos filmes de PEBAX-2533 contendo 10 % dos líquidos iônicos citados a fim de produzir eletrólitos poliméricos sólidos para baterias de íons lítio. Os eletrólitos de PEBAX-2533 com quantidades de líquidos iônicos superiores a 25 % apresentaram gotículas do líquido na superfície do filme, indicando segregação das fases. Esse fato não foi observado para os filmes contendo 10 % do sal e, portanto, apenas esses eletrólitos foram utilizados nos estudos seguintes. Os resultados mostraram que nessa porcentagem, os íons dos líquidos iônicos acomodam-se nos espaços vazios existentes nas regiões amorfas do PEBAX-2533. Esses filmes apresentaram condutividade iônica na ordem de 10-6 Scm-1 a 25 oC. Quando o sal de lítio, LiTf2N, foi adicionado a esses eletrólitos precursores de PEBAX-2533 e líquidos iônicos, a condutividade diminuiu devido a formação de agregados de Li+ com os ânions dos líquidos iônicos, que apresentam baixa mobilidade e, portanto, não contribuem para o aumento da condutividade. Pelas análises, pode-se concluir que os agregados de Li+ com líquidos iônicos e os cátions Li+ livres também ocupam os espaços vazios do elastômero e que os íons livres de Li+ estabelecem interações íon-dipolo permanente com as cadeias de PE. Os eletrólitos compostos por PEBAX-2533, líquidos iônicos e LiTf2N apresentaram estabilidade térmica até 200 °C. Com a agregação de poli(óxido de etileno) (PEO) nos filmes de PEBAX-2533 e 10 % de líquidos iônicos acrescidos de LiTf2N a 40 oC obteve-se um eletrólito com condutividade da ordem de 9,2 x 10-5 Scm-1.
Descrição
Citação
SILVA FILHO, Sinval Braz da. Efeito da adição de líquidos iônicos em um copolímero elastomérico para preparação de eletrólitos sólidos para baterias de íon lítio. 2016. 76 f. Dissertação (Mestrado) - Instituto de Ciências Ambientais, Químicas e Farmacêuticas, Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), Diadema, 2016.