Bateria de íons de lítio

A tecnologia de bateria de íon-lítio fornece uma fonte de energia recarregável avançada para uso em vários dispositivos eletrônicos. Essa bateria utiliza a intercalação reversível de íons de lítio em eletrodos negativos de carbono por meio de reações eletroquímicas com soluções de eletrólitos líquidos orgânicos não aquosos.

Essas baterias contêm solventes orgânicos que as tornam altamente inflamáveis. Portanto, é aconselhável armazená-las longe de objetos metálicos para evitar curtos-circuitos que podem resultar em incêndio. Também podem ocorrer incêndios devido a sobrecarga ou danos físicos às células dessas baterias.

Alta densidade de energia

A alta densidade de energia das baterias de lítio faz delas uma fonte de energia inestimável para dispositivos eletrônicos portáteis, incluindo telefones celulares, relógios, tablets, computadores, carros elétricos, drones e equipamentos aeroespaciais. Sua densidade de energia permite o fornecimento de grandes quantidades de eletricidade em pequenos volumes e, ao mesmo tempo, permanece leve; a medição da densidade de energia mede quantos watts-hora (wh) uma bateria pode armazenar em relação ao seu peso; a densidade de energia é diferente da densidade de potência, que mede quantos watts ela pode fornecer por hora ou minuto. Entretanto, deve-se observar que ambas as métricas devem ser levadas a sério para uma avaliação adequada do desempenho da bateria!

As baterias de íons de lítio são células eletroquímicas com dois eletrodos sólidos contendo compostos feitos de átomos de lítio; geralmente grafite para o eletrodo negativo e silício para o eletrodo positivo. O silício pode aumentar a capacidade, enquanto um composto de intercalação, como LiCoO2, LiFePO4 ou óxidos de lítio, níquel, manganês e cobalto, pode ser usado como eletrodo positivo. Entre cada célula da bateria existe um eletrólito líquido não aquoso, como um solvente orgânico, como carbonato de etileno ou carbonato de propileno, com complexos de íons de lítio dispersos.

A carga ocorre movendo os íons de lítio do eletrodo negativo para o eletrodo positivo e liberando elétrons que viajam ao longo de um fio externo para trabalhar. Por outro lado, ao descarregar, os íons retornam do ânodo para o cátodo e liberam elétrons que viajam de volta para o ânodo, onde puxam a carga de volta através do eletrólito, criando a corrente que alimenta nossos dispositivos.

Como nossa demanda por energia continua a aumentar, as baterias devem fornecer mais energia em um pacote menor e mais leve. Para atingir esse objetivo, serão necessários novos sistemas eletroquímicos com densidades de energia significativamente maiores do que as disponíveis atualmente - essas baterias de alta energia devem equilibrar a produção de energia com o uso de energia, o ciclo de vida e as considerações de segurança.

As baterias recarregáveis de lítio com cátodos do tipo inserção e ânodos à base de silício têm atraído imenso interesse devido à sua densidade de energia superior. Quando comparadas com as atuais baterias de íon-lítio com cátodos do tipo intercalação e ânodos de grafite, essas novas tecnologias oferecem significativamente mais energia em células muito mais finas e leves, criando a esperança de mobilidade livre de carbono e soluções de energia renovável em um futuro próximo.

Carregamento rápido

A carga ocorre quando fontes externas de energia elétrica fornecem uma sobretensão (maior do que a existente na própria célula) a uma bateria, forçando os elétrons de seu eletrodo positivo através do fluido eletrolítico para seu eletrodo negativo, forçando os íons de lítio para dentro ou para fora dos ânodos de grafite poroso por meio de processos de intercalação ou desintercalação e criando energia química armazenada como energia potencial dentro dela.

A taxa na qual ocorrem as reações e os transportes é um componente integral da capacidade e da tensão da bateria. A capacidade também aumenta com cada tipo de material catódico usado, além de outras considerações, como eficiência coulombiana, características de absorção/emissão e presença de eletrodos negativos que funcionam como bombas elétricas reversas para auxiliar na transferência de íons de lítio.

No entanto, o carregamento rápido pode levar à degradação do ânodo - uma perda irreversível de capacidade que se acelera com temperaturas mais altas, ciclos de sobrecarga/descarga, ciclos frequentes ou idade. Além disso, os eletrólitos podem se decompor e produzir gás que aumenta a pressão interna da célula em dispositivos exigentes, como os portáteis, criando cenários potencialmente perigosos em aplicações exigentes, como os portáteis.

A pesquisa de baterias do NREL tem como objetivo encontrar novas tecnologias que equilibrem a densidade de energia com recursos de carregamento rápido, sendo que uma das abordagens são os materiais de ânodo de gradiente duplo que permitem uma distribuição mais uniforme dos íons de lítio em um eletrodo, acelerando o transporte de massa e diminuindo a polarização de concentração que causa degradação.

Melhorar a condutividade elétrica de uma bateria é outro meio eficaz de aumentar a capacidade da taxa de carga, o que pode ser feito alterando os tamanhos das partículas dos materiais ativos, expandindo os tamanhos dos poros ou alterando os materiais dos eletrodos. Outro método seria usar grafite com estruturas mais granulares que diminuem a distância percorrida entre o ânodo de lítio e o ânodo; a Battrion, uma empresa derivada do Swiss Federal Institute of Technology, pode acelerar a carga organizando flocos de grafite no eletrodo negativo em fileiras verticais.

Ciclo de vida longo

As baterias de lítio funcionam transportando íons entre os eletrodos positivos e negativos para fornecer energia. Em teoria, esse mecanismo deveria funcionar para sempre, mas os ciclos e as altas temperaturas reduzem a vida útil da bateria; os fabricantes geralmente especificam 300 a 500 ciclos de descarga/carga como a vida útil média das células da bateria.

As baterias de íon de lítio normalmente duram de 2 a 3 anos ou 500 ciclos de carga, o que ocorrer primeiro. Sua vida útil pode ser estendida ainda mais se forem tomadas medidas ativas para evitar a degradação prematura.

Um dos principais componentes da longevidade das baterias de íons de lítio é mantê-las em um estado médio de carga (SoC). Quando deixadas no estado de carga total, as baterias sofrem estresse, pois o eletrólito precisa mover os íons para os ânodos a uma taxa maior do que durante a recarga, o que leva a uma perda de capacidade mais rápida e, portanto, a um estresse maior nas células.

A manutenção das condições ideais da bateria também é fundamental, e temperaturas extremas devem ser evitadas, pois podem causar a decomposição do eletrólito, produzindo gases perigosos que podem comprometer as células da bateria. Além disso, a sobrecarga frequente e prolongada pode acelerar a perda de capacidade.

O uso de um material de ânodo também desempenha um papel fundamental no prolongamento da longevidade da bateria de lítio; o grafite é uma das opções mais comuns utilizadas, embora os pesquisadores estejam explorando novas soluções que proporcionem maior capacidade com menor uso de material e melhor desempenho.

Os materiais do cátodo usados nas baterias de íons de lítio geralmente consistem em combinações de lítio, cobalto e níquel que armazenam íons com eficiência. É importante ter em mente que tanto o ânodo quanto o cátodo devem ter níveis de tensão semelhantes para intercalar os íons de lítio de forma eficaz; caso contrário, a vida útil do ciclo diminuirá drasticamente.

As baterias de íons de lítio devem ser carregadas e descarregadas regularmente para prolongar sua vida útil e manter sua eficiência alta. Isso também garante a segurança contra danos, já que as baterias de íon-lítio são altamente inflamáveis. Para otimizar o uso e o armazenamento, também é fundamental usar um carregador adequado e seguir as diretrizes do fabricante em relação às práticas adequadas de uso e armazenamento.

Leve

As baterias de lítio são significativamente mais leves do que suas contrapartes devido aos materiais leves usados em seus eletrodos (carbono e lítio), o que facilita o transporte e a instalação em dispositivos eletrônicos.

As baterias de lítio são conhecidas por reterem sua carga ao longo do tempo, o que ajuda a reduzir significativamente as sessões de carregamento. As baterias de lítio normalmente perdem menos energia do que outros tipos de baterias, como as de níquel-hidreto metálico (NiMH), que podem perder até 20% por mês.

As baterias de lítio oferecem outra vantagem sobre suas contrapartes: segurança. Isso se deve ao fato de gerarem menos calor durante os processos de recarga e descarga em comparação com outros tipos de baterias, evitando assim incêndios ou explosões que podem ocorrer com outras baterias.

A escolha da bateria de lítio depende de suas necessidades específicas. Por exemplo, se você planeja usar a bateria em temperaturas frias, escolha uma bateria de fosfato de ferro e lítio com um ânodo feito de carbono poroso e cátodos feitos de óxido de metal. Os íons de lítio viajam entre esses eletrodos por meio de uma solução eletrolítica para gerar eletricidade quando carregados.

As baterias de óxido de lítio-manganês-cobalto oferecem uma densidade de energia excepcionalmente alta. Seus cátodos contêm lítio-manganês-cobalto (ou espinélio), com estruturas projetadas para aumentar o manuseio da corrente e, ao mesmo tempo, diminuir a resistência interna - esse tipo de bateria pode ser encontrado com frequência em smartphones, câmeras digitais e laptops.

As baterias de íon de lítio oferecem muitas vantagens que as tornam a opção ideal para alimentar nossos eletrônicos do dia a dia, de telefones celulares a carros elétricos. Além de poderem ser facilmente recarregadas, sua segurança é incomparável. Além disso, a reciclagem dessas baterias também deve ser feita corretamente usando os links fornecidos pela EPA.