Bateria de polímero de lítio

As baterias de polímero de lítio (também conhecidas como baterias LiPo) tornaram-se uma opção cada vez mais popular no mundo do radiocontrole. Oferecendo longos tempos de operação e capacidade de energia superior, essas células leves de polímero de lítio oferecem maior conveniência.

Eles apresentam uma excelente classificação C, o que os torna adequados para aplicações que exigem rápidas explosões de velocidade, como corridas de drones.

Os ionômeros não aquosos preenchidos com solvente que ligam ânions a membranas de polímeros hospedeiros demonstraram um melhor desempenho das baterias de polímero de lítio ao atenuar a deposição dendrítica.

O eletrólito

As baterias de íon-lítio são uma fonte de energia indispensável para dispositivos eletrônicos, como telefones celulares, computadores e tablets. Embora as baterias de íon-lítio façam um trabalho admirável no fornecimento de energia a esses dispositivos, elas também apresentam várias limitações que, muitas vezes, afetam negativamente o desempenho. As baterias de polímero de lítio oferecem uma alternativa, pois dispensam totalmente o uso de eletrólitos líquidos em favor de eletrólitos de estado sólido, eliminando a possibilidade de danos físicos ou fuga térmica que comprometem esses eletrólitos líquidos e oferecendo soluções de eletrólitos sólidos.

Os eletrólitos de polímero sólido (SPEs) oferecem pontos de ebulição mais baixos do que os eletrólitos líquidos orgânicos e podem se tornar mais flexíveis por meio da incorporação de nanofibras a eles, o que permite que as baterias de polímero de lítio caibam em cartões de crédito de forma mais compacta do que o normal. Além disso, graças aos SPEs mais finos usados nas baterias de polímero em comparação com as baterias de íons de lítio comuns, sua capacidade pode até dobrar.

Os eletrólitos de estado sólido oferecem muitas vantagens em relação às baterias com eletrólitos líquidos, principalmente o tempo de fabricação. As baterias convencionais geralmente envolvem várias etapas, como a personalização de materiais de eletrodos positivos e negativos antes da montagem com separadores e adição de eletrólito líquido; em contrapartida, as baterias de polímero de lítio geralmente podem ser montadas em uma única etapa.

As baterias de polímero de lítio oferecem segurança adicional. Como não usam eletrólitos líquidos, os polímeros de lítio são menos vulneráveis a problemas causados por alto estado de carga (SOC) ou sobrecarga. Uma bateria líquida típica, quando exposta a ciclos de SOC/sobrecarga, se expande devido à ligeira vaporização de seu eletrólito; essa expansão geralmente leva a rachaduras na interface eletrodo/eletrólito e a interfases e tensões mecânicas causadas por esse processo de expansão que levam à degradação das camadas internas da célula ou a eletrodeposições metálicas desfavoráveis, como dendritos.

Shi et al. concentraram seus esforços de pesquisa na criação de SPEs que possam superar esses problemas, criando um SPE 3D automontado usando um líquido iônico composto de celulose que tem uma impressionante condutividade iônica de 2,0×10-4 S/cm a 25degC e excelentes propriedades mecânicas. Além disso, a celulose também fortalece a integridade estrutural do SPE e, ao mesmo tempo, forma uma forte coordenação de lítio para promover a dissolução do sal de lítio, melhorando assim o transporte geral de íons e evitando o vazamento de IL.

O cátodo

O cátodo de uma bateria funciona como eletrodo negativo, retirando os elétrons do eletrodo positivo durante a descarga. Os materiais do cátodo tendem a ser à base de carbono, como grafite ou silício; o grafite tende a ser mais usado devido ao seu custo mais baixo, maior condutividade elétrica e estabilidade, enquanto o silício oferece maior densidade de energia. Há várias iterações de materiais catódicos usados atualmente que visam ao equilíbrio entre a densidade de energia e a vida útil do ciclo.

Um ânodo é o eletrodo positivo em uma bateria, servindo para absorver íons de lítio carregados positivamente durante o carregamento. Os materiais comuns de ânodo incluem ligas de níquel-cobalto que oferecem um bom equilíbrio entre a densidade de energia e a vida útil do ciclo; são mais baratos do que as opções de níquel puro com perfis de ponto de fusão/ponto de ebulição mais baixos, o que os torna adequados para as altas temperaturas das baterias automotivas.

O carregamento ocorre com a aplicação de uma sobretensão de uma fonte de alimentação externa a cada célula, forçando os elétrons do eletrodo positivo para o negativo e intercalando os íons de lítio com o material do ânodo para intercalação. Uma vez carregada, a capacidade da bateria aumenta lentamente até que o limite de tensão máxima de carga por célula seja atingido.

As baterias de íon-lítio têm recebido alguma atenção da imprensa por sua tendência a pegar fogo espontaneamente; no entanto, seu risco permanece relativamente baixo. O que é mais comum nessas baterias é o descontrole térmico, no qual o eletrodo negativo se aquece antes de começar a se oxidar e entrar em ignição, levando à explosão ou ao incêndio em uma reação em cadeia explosiva que leva à explosão ou ao incêndio em um conjunto de baterias.

As células de íon-lítio com eletrólitos de polímero sólido podem ajudar a reduzir o risco de fuga térmica. Esses eletrólitos consistem em filmes semelhantes a plásticos que substituem os separadores porosos tradicionais em poros embebidos em solventes orgânicos, geralmente compostos por um dos vários polímeros, como acrilonitrila, butirato ou fluoreto de polivinilideno (PVdF).

O ânodo

O lítio em sua forma elementar pura é altamente reativo. Para evitar a interação com a água e a produção de gás hidrogênio que causaria a explosão da bateria, as baterias de íon-lítio usam eletrólitos não aquosos compostos de sais de lítio em polímeros como carbonato de etileno ou carbonato de propileno - quatro componentes principais que compõem uma célula de bateria nesse caso.

Os cátodos das baterias de lítio consistem em óxido de metal, enquanto os ânodos consistem em carbono poroso. Quando descarregados, os íons de lítio se movem do ânodo por meio do eletrólito e do separador para o cátodo por meio do eletrólito para a produção de energia elétrica. Por outro lado, durante o carregamento, eles retornam através da liberação do ânodo para o cátodo, o que fornece mais energia.

Tanto os cátodos quanto os ânodos dos conjuntos de baterias são feitos de compostos sintéticos que são moídos em partículas finas antes de serem misturados com aglutinantes e solventes e, em seguida, revestidos em uma folha de metal (geralmente alumínio para o ânodo e cobre para o cátodo). Após serem espalhadas pela superfície da folha de metal, essas misturas são espalhadas por cima e secas em um forno para fixar sua estrutura, remover resíduos de aglutinante/solvente e criar um filme microporoso permeável aos íons de lítio.

Um ânodo geralmente consiste em óxido de níquel-cobalto (NiCoO2) ou dióxido de lítio-manganês (LiMn2O4); ambos os materiais oferecem custos mais baixos do que o cobalto e são facilmente oxidados de forma reversível de volta aos seus estados naturais de níquel e manganês. A estrutura de treliça cúbica do Li-LiMn2O4 facilita a difusão tridimensional dos íons de lítio para dentro e para fora dos cristais; durante a descarga, um íon de lítio para cada dois íons de Mn é inserido nesses cristais, enquanto o carregamento remove um íon de lítio de um para cada dois íons de Mn, que são extraídos reversivelmente durante o carregamento.

Algumas baterias usam ânodos de carbono condutor de plástico, que são muito mais baratos e têm capacidade de ciclagem e capacidade reduzidas do que os ânodos de lítio metálico. Ainda assim, eles são uma opção de reciclagem atraente, pois não é necessário passar por processos de purificação caros e demorados; no entanto, isso leva ao acúmulo de lítio metálico em sua superfície, o que reduz a capacidade com o tempo.

Runaway térmico

O descontrole térmico de uma bateria de polímero de lítio ocorre quando suas reações químicas internas se tornam autossustentáveis, produzindo calor e liberando energia em uma taxa exponencialmente crescente. Nesse estágio, a pressão aumenta rapidamente dentro da bateria com a formação de gases que causam expansão dentro das células, fazendo com que a embalagem de alumínio da bateria se rompa e libere grandes volumes de gases inflamáveis que podem ser perigosos para a vida humana.

O descontrole térmico pode ser causado por vários fatores, incluindo sobrecarga da bateria, exposição a altas temperaturas, falha mecânica ou curto-circuito interno/externo. Trata-se de um evento repentino e difícil de controlar, que acaba levando à destruição da bateria devido à desestabilização e à quebra dos materiais orgânicos do lítio, gerando aumentos de temperatura perigosamente rápidos que criam aquecimento interno nas células da bateria, o que leva a processos de fuga térmica.

Todas as baterias de íon-lítio geram algum calor, mas se a taxa de geração desse calor exceder a taxa de dissipação, a temperatura interna aumentará exponencialmente até que a estabilidade seja perdida. Nesse ponto, a célula interna inchará à medida que a estrutura do separador entrar em colapso, levando ao contato entre os eletrodos e desencadeando reações químicas exotérmicas que aceleram rapidamente o aumento da temperatura, produzindo quantidades enormes de calor que aumentam ainda mais a temperatura da célula até que ocorra o descontrole térmico.

Reduzir o descontrole térmico pode ser um desafio quase intransponível, e é aí que entram em cena os dispositivos de segurança contra falhas, como o desligamento do separador - eles funcionam desligando o transporte de lítio, o que interrompe o processo de descontrole térmico, embora possam levar algum tempo para fazer sua mágica; até que esse tempo chegue, a temperatura da bateria continua a aumentar constantemente.

Portanto, para minimizar o risco desse evento e proteger as baterias de forma mais eficaz contra o descontrole térmico, uma estratégia eficaz é armazená-las em um gabinete de bateria equipado com sensores de temperatura que monitoram as temperaturas internas das células e podem intervir antes que elas atinjam o limite de descontrole térmico. Esses gabinetes também vêm equipados com recursos de comunicação para permitir a tomada de decisões baseadas em dados quando se trata de necessidades de carregamento, armazenamento e manutenção.