Mostrar código-fonte de Bateria de lítio-enxofre


[[Ficheiro:Li-S battery EN.png|miniaturadaimagem|Princípio de funcionamento da bateria Li-S e efeito de vaivém.]]
A '''bateria de lítio-enxofre''' ([[Lítio|Li]]-[[Enxofre|S]]) é um tipo de [[bateria recarregável]], notável por sua [[Energia elétrica|alta energia específica]].<ref>{{citar periódico|título=Liquid electrolyte lithium/sulfur battery: Fundamental chemistry, problems, and solutions|url=|periódico=Journal of Power Sources|volume=231|doi=10.1016/j.jpowsour.2012.12.102|último1 =Zhang|primeiro1 =Sheng S|ano=2013|número=|páginas=153–162}}</ref> O baixo [[Massa atômica|peso atômico]] do lítio e o peso atômico moderado do enxofre significa que as baterias Li-S são relativamente leves (aproximadamente a densidade da água). Elas foram usados no mais longo e de maior altitude vôo de avião movido a [[energia solar]] em agosto de 2008.<ref>Amos, J. (24 de agosto de 2008) [http://news.bbc.co.uk/2/hi/science/nature/7577493.stm "Solar plane makes record flight"] ''BBC News''</ref> As baterias de lítio-enxofre têm menos impacto ambiental e são muito mais baratas, em comparação com as baterias de íon-lítio que atualmente alimentam telefones, tablets e laptops.<ref name=":0">{{Citar web|titulo=The cell phone battery that lasts up to 5 days is coming|url=https://www.techexplorist.com/new-lithium-sulphur-battery-makes-cell-phone-work-five-continuous-days/29055/|obra=Tech Explorist|data=2020-01-10|acessodata=2020-01-10|lingua=en-US}}</ref>

== Química ==
Os processos químicos na célula Li-S incluem dissolução de lítio da superfície [[ânodo]] (e incorporação em [[Sal|sais]] de [[polissulfeto]] de [[metal alcalino]]) durante a descarga e inverção da [[galvanoplastia]] de lítio no ânodo durante o [[Carga elétrica|carregamento]].<ref>Tudron, F.B., Akridge, J.R., and Puglisi, V.J. (2004) [https://web.archive.org/web/20180403174217/http://www.sionpower.com:80/pdf/articles/PowerSources2004.pdf "Lithium-Sulfur Rechargeable Batteries: Characteristics, State of Development, and Applicability to Powering Portable Electronics"] (Tucson, AZ: Sion Power)</ref>

=== Ânodo ===
Na superfície anódica, ocorre a dissolução do lítio metálico, com a produção de [[elétron]]s e [[íon]]s de lítio durante a descarga e a eletrodeposição durante a carga.

A [[Semi reação|semi-reação]] é expressa como:<ref>{{citar periódico|título=Recent research trends in Li–S batteries|url=http://xlink.rsc.org/?DOI=C8TA01483C|periódico=Journal of Materials Chemistry A|volume=6|doi=10.1039/C8TA01483C|primeiro =Rudra|último =Kumar|data=2018|número=25|pp=11582–11605|língua=en|acessodata=2019-07-04|primeiro2 =Jie|último2 =Liu|primeiro3 =Jang-Yeon|último3 =Hwang}}</ref>
<chem>Li <=> Li+ + e-</chem>

Em analogia com as baterias de lítio, a reação de [[dissolução]] / [[Galvanoplastia|eletrodeposição]] causa, com o tempo, problemas de crescimento instável da [[Bateria de estado sólido|interface sólido-eletrólito]] (SEI), gerando locais ativos para a [[nucleação]] e crescimento [[dendrítico]] do lítio. Dendritic growth is responsible for the internal short circuit in lithium batteries and leads to the death of the battery itself.<ref name=":5">{{citar periódico|título=Lithium–Sulfur Batteries: State of the Art and Future Directions|url=http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaem.7b00153|periódico=ACS Applied Energy Materials|volume=1|doi=10.1021/acsaem.7b00153|primeiro =Teyeb|último =Ould Ely|data=2018-05-29|número=5|pp=1783–1814|língua=en|acessodata=2019-07-04|primeiro2 =Dana|último2 =Kamzabek|primeiro3 =Dhritiman|último3 =Chakraborty}}</ref>

=== Cátodo ===
Nas baterias Li-S, a energia é armazenada no eletrodo de enxofre (S <sub>8</sub> ). Durante a descarga, os íons de lítio no eletrólito migram para o cátodo, onde o enxofre é reduzido a [[Sulfeto de lítio|sulfeto de lítio (Li <sub>2</sub> S)]]. O enxofre é reoxidado para S<sub>8</sub> durante a fase de recarga. A semi-reação é, portanto, expressa como:

<chem>S + 2Li+ + 2e-  <=>  Li2S  </chem>  (E ° ≈ 2.15 V vs Li / Li <sup>+</sup> )

Na verdade, a reação de redução de enxofre ao sulfeto de lítio é muito mais complexa e envolve a formação de [[Polissulfeto de lítio|polissulfetos de lítio]] (Li <sub>2</sub> S <sub>x</sub> , ''8 <x <1'' ) ao diminuir o comprimento da corrente de acordo com a ordem:<ref>{{citar periódico|título=Lithium–sulfur batteries: from liquid to solid cells|url=http://xlink.rsc.org/?DOI=C4TA04727C|periódico=Journal of Materials Chemistry A|volume=3|doi=10.1039/C4TA04727C|primeiro =Zhan|último =Lin|data=2015|número=3|pp=936–958|língua=en|acessodata=2019-07-04|primeiro2 =Chengdu|último2 =Liang}}</ref>

<chem>Li2S8->Li2S6->Li2S4->Li2S2->Li2S</chem>

O produto final é na verdade uma mistura de Li <sub>2</sub> S <sub>2</sub> e Li <sub>2</sub> S ao invés de Li <sub>2</sub> S puro, devido à redução cinética lenta em Li <sub>2</sub> S.<ref name=":2">{{citar periódico|título=Lithium/sulfur batteries with high specific energy: old challenges and new opportunities|url=http://xlink.rsc.org/?DOI=c2nr33044j|periódico=Nanoscale|volume=5|doi=10.1039/c2nr33044j|primeiro =Min-Kyu|último =Song|data=2013|número=6|pp=2186|língua=en|acessodata=2019-07-04|primeiro2 =Elton J.|último2 =Cairns|primeiro3 =Yuegang|último3 =Zhang}}</ref> Isso contrasta com as células convencionais de íons de lítio, onde os íons de lítio são [[Intercalação (química)|intercalados]] no ânodo e nos catodos. Cada átomo de enxofre pode hospedar dois íons de lítio. Normalmente, as baterias de íon-lítio acomodam apenas 0,5-0,7 íons de lítio por [[Átomo|átomo hospedeiro]].<ref>{{citar periódico|título=Revisiting Lithium-Sulfur Batteries|url=http://www.technologyreview.com/energy/22689/|periódico=[[Technology Review]]|primeiro =Kevin|último =Bullis|data=22-05-2009|acessodata=12-08-2016}}</ref> Consequentemente, o Li-S permite uma densidade de armazenamento de lítio muito maior. Os polissulfetos são reduzidos na superfície do cátodo em sequência enquanto a célula está descarregando:

: {{chem|S|8}} → {{chem|Li|2|S|8}} → {{chem|Li|2|S|6}} → {{chem|Li|2|S|4}} → {{chem|Li|2|S|3}}

Através de um separador de difusão porosa, [[polímero]]s de enxofre se formam no [[cátodo]] enquanto a célula carrega:

: {{chem|Li|2|S → {{chem|Li|2|S|2}} → {{chem|Li|2|S|3}} → {{chem|Li|2|S|4}} → {{chem|Li|2|S|6}} → {{chem|Li|2|S|8}} → S|8}}

Essas reações são análogas às da bateria de sódio e enxofre.

Os principais desafios das baterias Li-S são a baixa condutividade do enxofre e sua enorme mudança de volume ao descarregar e encontrar um cátodo adequado é o primeiro passo para a comercialização de baterias Li-S.<ref>{{citar periódico|título=Cathode Materials for Lithium–Sulfur Batteries: A Practical Perspective|periódico=Journal of Materials Chemistry A|volume=5|doi=10.1039/C7TA00799J|último =Eftekhari|primeiro =A.|ano=2017|páginas=17734–17776|número=34}}</ref> Portanto, a maioria dos pesquisadores usa um cátodo de carbono/enxofre e um ânodo de lítio.<ref>{{citar periódico|título=Improvement of cycle property of sulfur electrode for lithium/sulfur battery|periódico=Journal of Alloys and Compounds|volume=449|doi=10.1016/j.jallcom.2006.02.098|último =Choi|primeiro =Y.J.|autor2 =Kim, K.W.|ano=2008|páginas=313–316|número=1–2}}</ref> O enxofre é muito barato, mas praticamente não tem [[Condutividade elétrica|eletrocondutividade]], 5{{e|−30}} [[Siemens (unidade)|S]]⋅cm<sup>−1</sup> em 25 °C.<ref>{{citar livro|url=https://archive.org/details/langeshandbookof00lang_1|título=Lange's Handbook of Chemistry|editor=J.A. Dean|url-access=registro|edição=third|publicado=McGraw-Hill|local=New York|ano=1985|páginas=[https://archive.org/details/langeshandbookof00lang_1/page/3 3–5]}}</ref> Um revestimento de carbono fornece a eletrocondutividade ausente. As [[Fibra de carbono|nanofibras de carbono]] fornecem um caminho eficaz de condução de elétrons e integridade estrutural, com a desvantagem do custo mais alto.<ref>{{citar periódico|título=Effects of carbon coating on the electrochemical properties of sulfur cathode for lithium/sulfur cell|periódico=J. Power Sources|volume=184|bibcode=2008JPS...184..548C|doi=10.1016/j.jpowsour.2008.02.053|último =Choi|primeiro =Y. J.|autor2 =Chung, Y. D.|autor3 =Baek, C. Y.|autor4 =Kim, K. W.|autor5 =Ahn, J. H.|páginas=548–552|data=04-03-2008|número=2}}</ref>

Um problema com o projeto lítio-enxofre é que, quando o enxofre no cátodo absorve lítio, a expansão do volume das composições do Li<sub>x</sub>S  acontece, e expansão de volume prevista de Li<sub>2</sub>S é quase 80% do volume do enxofre original.<ref>{{citar periódico|título=ReaxFF molecular dynamics simulations on lithiated sulfur cathode materials|url=https://www.researchgate.net/publication/269710344|periódico=Phys. Chem. Chem. Phys.|volume=17|bibcode=2015PCCP...17.3383I|doi=10.1039/c4cp04532g|pmid=25529209|primeiro5 =William W.|último8 =Duin|primeiro8 =Adri C. T. van|último7 =Kumar|primeiro7 =Nitin|último6 =Hennig|primeiro6 =Richard G.|último5 =Tipton|primeiro3 =Oleg|último4 =Yeates|primeiro4 =A. Todd|último3 =Borodin|último2 =Ostadhossein|primeiro2 =Alireza|último =Islam|primeiro =Md Mahbubul|língua=en|número=5|páginas=3383–3393|data=2015-01-21}}</ref> Isso causa grandes tensões mecânicas no cátodo, que é uma das principais causas de degradação rápida. Esse processo reduz o contato entre o carbono e o enxofre e evita o fluxo de íons de lítio para a superfície do carbono.<ref>Brian Dodson, [https://newatlas.com/lithium-sulfur-battery-energy-density/29907/ "New lithium/sulfur battery doubles energy density of lithium-ion"], NewAtlas, 1 December 2013</ref>

As propriedades mecânicas dos compostos de enxofre litiado são fortemente dependentes do teor de lítio e, com o aumento do teor de lítio, a resistência dos compostos de enxofre litiado melhora, embora esse incremento não seja linear com a litiação.<ref>{{citar periódico|display-authors=etal|título=ReaxFF molecular dynamics simulations on lithiated sulfur cathode materials|url=https://www.researchgate.net/publication/269710344|periódico=Phys. Chem. Chem. Phys.|volume=17|bibcode=2015PCCP...17.3383I|doi=10.1039/C4CP04532G|pmid=25529209|último1 =Islam|ano=2015|número=5|páginas=3383–3393}}</ref>

Uma das principais deficiências da maioria das células Li-S são as reações indesejadas com os eletrólitos. Enquanto S e {{chem|Li|2|S}} são relativamente insolúveis na maioria dos eletrólitos, muitos polissulfetos intermediários não são. Dissolvendo {{chem|Li|2||S|''n''}} em eletrólitos causa perda irreversível de enxofre ativo.<ref>{{citar periódico|título=Electrochemical properties of lithium sulfur cells using PEO polymer electrolytes prepared under three different mixing conditions|periódico=J. Power Sources|volume=174|bibcode=2007JPS...174..745J|doi=10.1016/j.jpowsour.2007.06.108|primeiro6 =K. K.|número=2|páginas=745–750|ano=2006|último1 =Jeong|primeiro1 =S. S.|primeiro5 =H. J.|último5 =Ahn|primeiro4 =K. W.|último4 =Kim|primeiro3 =Y. T.|último3 =Choi|primeiro2 =Y.|último2 =Lim|último6 =Cho}}</ref> O uso de lítio altamente reativo como eletrodo negativo causa dissociação da maioria dos eletrólitos de outro tipo comumente usados. O uso de uma camada protetora na superfície do ânodo foi estudado para melhorar a segurança das células, ou seja, o uso de revestimento de [[Politetrafluoretileno|Teflon]] mostrou melhora na estabilidade do eletrólito,<ref>{{citar periódico|título=ReaxFF Reactive Force Field Simulations on the Influence of Teflon on Electrolyte Decomposition during Li/SWCNT Anode Discharge in Lithium-Sulfur Batteries|url=http://pdfs.semanticscholar.org/2a78/5bfba40f0395e971d0e1a16b215b6c44d564.pdf|periódico=Journal of the Electrochemical Society|volume=161|doi=10.1149/2.005408jes|último1 =Islam|primeiro1 =Md Mahbubul|último2 =Bryantsev|primeiro2 =Vyacheslav S.|último3 =van Duin|primeiro3 =Adri CT|ano=2014|número=8|páginas=E3009–E3014}}</ref> LIPON, Li<sub>3</sub>N também exibiu desempenho promissor.

== Pesquisas ==
Pesquisadores australianos desenvolveram o que eles afirmam ser a "bateria de lítio-enxofre mais eficiente” disponível para 2020. Esse dispositivo pode estender a autonomia do seu telefone por cinco dias consecutivos sem recarga. Seu uso em carros elétricos, onde poderia oferecer um alcance de mais de 1000 km  sem reabastecimento e faz o telefone celular funcionar por cinco dias contínuos.<ref name=":0" />
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