A rápida expansão dos veículos elétricos (VEs) aumentou a demanda por matérias-primas utilizadas na fabricação de baterias de lítio, tornando necessário o uso de minerais virgens como fonte — o que suscita preocupações tanto ambientais quanto sociais.
As composições químicas das baterias de lítio diferem em termos da quantidade de energia que podem armazenar e do número de vezes que podem ser recarregadas, o que torna crucial a escolha da bateria adequada para sua aplicação específica.
Química do íon de lítio
As baterias de íon-lítio se tornaram rapidamente uma das tecnologias mais utilizadas em eletrônicos de consumo, como celulares e laptops, e seu uso em carros híbridos também está se tornando cada vez mais comum. Sua alta densidade energética permite que uma quantidade maior de energia seja armazenada em espaços menores do que com as tecnologias tradicionais de baterias.
As baterias de íon-lítio também podem ser utilizadas com segurança quando operadas de acordo com diretrizes específicas de segurança. Embora o risco de incêndio seja menor do que no caso das baterias de lítio-metal, o manuseio inadequado ainda pode representar perigo.
As baterias de íons de lítio funcionam por meio de intercalação e extração, com os íons de lítio se deslocando entre o ânodo e o cátodo, criando uma solução eletrolítica composta por solventes não aquosos, como o carbonato de etileno ou o carbonato de propileno, que envolve ambos. A umidade nunca deve entrar nessa bateria devido à forte afinidade do lítio com a água.
A descarga ocorre quando os íons de lítio se deslocam do ânodo para uma solução eletrolítica, onde são liberados de seus locais de ligação pela corrente elétrica e, em seguida, se desligam do ânodo — liberando elétrons para que fluam livremente pelos fios externos, a fim de que o trabalho seja realizado.
As baterias de íon-lítio oferecem muitas vantagens em relação às suas contrapartes, incluindo boa eficiência energética e alta relação potência/peso, baixa taxa de autodescarga, longa vida útil e design portátil. A tecnologia de óxido de lítio-cobalto permite uma maior densidade energética do que suas alternativas nas baterias de íon-lítio para automóveis.
Eletrólito
Os eletrólitos são minerais vitais, essenciais para os níveis de hidratação do nosso corpo e para as funções celulares, além de trazerem benefícios gerais à saúde, como a prevenção da fadiga, das tonturas e das dores de cabeça. A falta de eletrólitos pode até mesmo levar à desidratação, o que afeta significativamente a vida e perturba profundamente as rotinas diárias.
As baterias de íons de lítio utilizam eletrólitos não aquosos para evitar reações com a água e proteger seus eletrodos contra a degradação. Elas geralmente contêm carbonatos orgânicos, como o carbonato de etileno ou o carbonato de propileno, com complexos que ligam os íons de lítio na solução; esse eletrólito líquido permite, então, que os íons se desloquem entre os eletrodos do ânodo e do cátodo, produzindo energia elétrica.
À medida que os íons de lítio se deslocam do ânodo para o cátodo através do eletrólito durante a descarga, eles passam por um processo de inserção ou intercalação que transfere seus elétrons do cátodo. Isso gera uma saída de energia química armazenada no circuito externo da célula; durante o carregamento, esses mesmos íons se recombinam com seus elétrons para gerar eletricidade.
Dinca e sua equipe estão trabalhando no desenvolvimento de materiais alternativos para baterias que contenham menos cobalto, como sódio ou magnésio. Essas baterias poderiam tornar as baterias mais leves e baratas, tornando-as mais atraentes para os consumidores. As baterias sem cobalto devem ter melhor vida útil, maior capacidade de reciclagem e podem até ser mais seguras para transporte e armazenamento do que as que contêm cobalto.
Cátodo
O cátodo é um dos principais componentes das baterias de lítio. Atuando como condutor elétrico, ele facilita o deslocamento dos íons de lítio entre o ânodo e o cátodo durante os processos de descarga e carga. Os cátodos podem ser compostos por diferentes materiais, como óxidos de lítio e metais de transição, óxidos de vanádio, óxidos à base de manganês ou fosfatos de lítio, que permitem a intercalação e desintercalação reversíveis dos íons de lítio durante os ciclos de descarga e carga.
Um ânodo é um eletrodo negativo, responsável por liberar elétrons para um circuito externo durante a descarga da célula. Por outro lado, os cátodos combinam íons de lítio carregados positivamente com elétrons em uma reação de redução eletroquímica em seu eletrodo positivo. O eletrólito atua como intermediário no transporte de íons de lítio e elétrons entre o ânodo e o cátodo; ele não participa da reação eletroquímica propriamente dita.
Já foram desenvolvidos diversos materiais para cátodos; os três mais comuns na produção atual podem ser resumidos como LiCoO₂, LiMn₂O₄ e LiFePO₄. Cada um deles utiliza a química de íons de lítio; no entanto, sua capacidade de carga e estabilidade de ciclo variam de acordo com o modelo.
As baterias de íons de lítio dependem de seus cátodos tanto para a densidade energética quanto para a vida útil, já que esse componente armazena grandes quantidades de íons de lítio com alta condutividade e precisa armazenar grandes quantidades deles para funcionar de maneira ideal. Para reduzir ainda mais a resistência e melhorar o desempenho, vários aditivos condutores, como negro de fumo (CB), carbono amorfo (AC) ou fibras de carbono (CF), podem ser adicionados; a Tabela 2 apresenta os resultados desses aditivos nas capacidades de descarga e no desempenho de ciclo de diversos materiais catódicos, comparando-se os resultados com os diversos aditivos condutores utilizados.
Ânodo
A viabilidade das baterias de íon-lítio é determinada em grande parte pelos materiais dos eletrodos — também conhecidos como ânodos e cátodos —, que desempenham um papel essencial na densidade energética e na regulação da faixa de tensão. A maioria das baterias de lítio utiliza ânodos e cátodos de carbono; no entanto, os pesquisadores estão explorando soluções alternativas.
A descarga ocorre quando um ânodo libera íons de lítio para o cátodo por meio da intercalação, gerando corrente e energia. Durante o carregamento, no entanto, ocorre o inverso. Em vez de descarregar íons de lítio no cátodo por meio da intercalação, eles entram em um eletrólito (composto por sais de lítio suspensos no solvente carbonato de dimetila). A partir daí, eles retornam em direção ao ânodo e, por fim, saem novamente por meio dessa solução para completar o circuito no sentido inverso.
Os ânodos de grafite padrão não podem ser utilizados a longo prazo, pois a inserção repetida de lítio faz com que se fragmentem e percam capacidade, deixando as células LIB inoperantes. Foram propostas alternativas, como os hidróxidos metálicos; no entanto, suas altas tensões de intercalação reduzem a densidade energética dessas baterias.
A Amprius, empresa especializada em materiais para baterias, desenvolveu um ânodo com um invólucro de silício que envolve nanofios de silício como uma possível solução. Já testado em um conjunto de baterias do pseudossatélite Airbus Zephyr S para fins de teste, seu desempenho foi excelente: durou centenas de ciclos de carga, produzindo mais de 435 Wh/kg de energia.
Separador de eletrodos
O separador é um componente essencial das baterias de lítio, servindo para isolar os eletrodos positivo e negativo, ao mesmo tempo em que permite o fluxo de íons de lítio. Fabricado com uma membrana porosa composta por diversos materiais de poliolefina, como polietileno ou polipropileno, seu tamanho influencia a quantidade de corrente que pode ser retirada durante a descarga, além de determinar a estabilidade durante os ciclos de carga e descarga.
A porosidade do separador deve ser suficiente para permitir que os íons de lítio se movam livremente entre os eletrodos, com uma ampla distribuição de poros que se fecham quando a bateria é desconectada ou desligada; os tamanhos ideais dos poros variam entre 30 e 100 nanômetros. Além disso, sua condutividade também deve ser alta.
A molhabilidade de um separador também é essencial; ele deve absorver uma quantidade adequada de eletrólito em seus poros durante o funcionamento da célula, sem que ocorra a formação de dendritos e o crescimento da SEI. Podem ser utilizados diversos materiais para separadores, como PP não tecido, PP microporoso de camada única, celulose, fibra de vidro, PTFE ou PP/PE/PP de três camadas; alguns apresentam propriedades aprimoradas, como maior resistência à oxidação ou afinidade/molhabilidade com eletrólitos; essas melhorias contribuem significativamente para a segurança e a longevidade da bateria.
Coletores de corrente
Os coletores de corrente são um componente essencial das baterias de lítio, pois permitem que os elétrons fluam entre os eletrodos do cátodo e do ânodo, ajudando a bateria a atingir alta densidade energética e melhorando a segurança e o desempenho. Eles devem ser projetados para suportar altas tensões operacionais sem que seus eletrodos sofram corrosão.
Metais como o alumínio e o cobre são frequentemente utilizados como coletores de corrente devido ao seu custo relativamente baixo e à excelente condutividade elétrica; no entanto, sua fragilidade exige espessuras maiores para manter a integridade mecânica.
Cientistas do NREL desenvolveram uma nova maneira de reduzir a espessura do coletor de corrente e, ao mesmo tempo, aumentar a densidade energética. O método consiste em revestir com adesivo os materiais ativos dos separadores das baterias de lítio, criando coletores de corrente finos e leves que ajudarão a tornar as baterias de lítio para automóveis mais eficientes em termos energéticos.
Os cientistas estão explorando métodos para reduzir a espessura dos coletores de corrente e, ao mesmo tempo, aumentar sua estabilidade eletroquímica. Os materiais à base de carbono oferecem processos de produção mais ecológicos em comparação com os metálicos e estão sendo cada vez mais utilizados como coletores de corrente.
Os coletores de corrente à base de carbono oferecem muitas vantagens em relação aos seus equivalentes mais rígidos, incluindo o fato de serem mais leves e flexíveis o suficiente para melhorar a densidade energética e a capacidade de potência da bateria — um requisito cada vez mais essencial, dada a crescente popularidade das baterias de íon-lítio.