Ondas de concentração de Li+ em um eletrólito líquido de baterias Li-ion com eletrodos de grafite poroso

Soluções eletrolíticas funcionam como condutores iônicos em baterias Li-ion e inevitavelmente induzem gradientes de concentração durante a operação da bateria. Mostra-se que, além desses gradientes de concentração, ondas de concentração de Li+ muito específicas no eletrólito são formadas em células de Li com eletrodos porosos de grafite. Este fenômeno foi investigado tanto por simulações quanto por experimentos. A partir das simulações, concluiu-se que as ondas de concentração de Li+ que ocorrem no eletrólito variam com a posição e o tempo. Essas ondas se originam das flutuações da distribuição de reação dentro do eletrodo poroso e dependem tanto da termodinâmica (tensão de circuito aberto, OCV) quanto da cinética (heterogeneidade da reação de transferência de carga). Ondas de concentração de Li+ que ocorrem na região do separador estão diretamente relacionadas à tensão de saída da bateria em aplicações de baixa corrente. Um dispositivo de quatro eletrodos é utilizado para validar experimentalmente as ondas de concentração do eletrólito. As diferenças de potencial elétrico entre os eletrodos de referência e o eletrodo de contra mostram flutuações regulares, demonstrando a existência de ondas de concentração no eletrólito. A aparição simultânea das flutuações nas diferenças de potencial e as transições de platôs para inclinações na tensão de saída da bateria ilustra a dependência das ondas de concentração de Li+ na termodinâmica e na cinética das reações eletroquímicas.