Hidretos metálicos para aplicações em baterias de hidreto metálico de níquel

Os hidretos metálicos desempenham um papel fundamental nas baterias de hidreto metálico de níquel. Eles ajudam a armazenar e liberar o hidrogênio. Seu uso leva a um melhor desempenho e segurança da bateria.

Os compostos de hidreto metálico são formados quando o hidrogênio entra em contato com metais. Esses compostos têm um excelente potencial para absorver e emitir gás hidrogênio. Isso tornou os compostos de hidreto metálico muito importantes quando se trata de produtos de hidreto metálico de níquel. Atualmente, esses compostos estão sendo usados para alimentar carros híbridos, aparelhos eletrônicos e qualquer aplicação que exija células recarregáveis.

Comparação de tipos de baterias

Há vários tipos de baterias disponíveis atualmente.

Por exemplo, as baterias de níquel-metal-hidratado operam em um princípio diferente das baterias de níquel-cádmio. As baterias de níquel-cádmio contêm cádmio. Elas são geralmente conhecidas como baterias de memória. As baterias de níquel-metal-hidreto contêm hidreto metálico. Essas baterias têm menos perda de memória.

Há outras opções disponíveis. As baterias de íons de lítio são uma alternativa. Elas têm alta capacidade, mas é preciso lembrar que devem ser recarregadas com muito cuidado. As baterias de chumbo-ácido são muito pesadas.

Os hidretos metálicos, nas aplicações das baterias de hidreto metálico de níquel, oferecem o equilíbrio necessário entre densidade de energia e segurança. Com o passar do tempo, os engenheiros preferiram usar os sistemas de hidreto metálico em várias aplicações.

Leitura adicional: A evolução das baterias de veículos elétricos: Do chumbo-ácido ao íon-lítio

Estruturas cristalinas dos materiais da bateria de hidreto metálico de níquel

A estrutura cristalina dos materiais das baterias de hidreto metálico de níquel é muito importante. A disposição dos átomos afeta a capacidade de armazenamento e liberação do hidrogênio. Muitos materiais de bateria de hidreto metálico de níquel seguem uma estrutura AB5. Nesse modelo, o hidreto metálico consiste em um elemento de terra rara ou metal de transição e cinco outros átomos de metal. Essa estrutura cria espaços para que os átomos de hidrogênio se estabeleçam.

Os engenheiros e cientistas medem esses cristais e usam a difração de raios X. Com medições cuidadosas, eles podem saber a quantidade de hidrogênio que pode ser absorvida. Essa estrutura oferece boa reversibilidade e estabilidade.

Leia mais: Tudo sobre baterias de veículos elétricos

Estruturas cristalinas de materiais de bateria (AB5, AB2, etc.)

Nas baterias de níquel-hidreto metálico (NiMH), a estrutura cristalina da liga de absorção de hidrogênio desempenha um papel fundamental na determinação do desempenho. Entre as mais estudadas estão as estruturas do tipo AB₅ e AB₂, em que "A" e "B" se referem a diferentes componentes metálicos. Esses materiais são essenciais em aplicações que exigem ciclo de vida longo, alta capacidade de hidrogênio e comportamento eficiente de carga/descarga - propriedades cruciais para veículos elétricos híbridos plug-in (PHEVs) e veículos elétricos (EVs).

A estrutura do tipo AB₅, comumente encontrada em baterias NiMH, normalmente incorpora elementos de terras raras no local A e metais de transição no local B. Essa estrutura oferece uma combinação bem equilibrada de capacidade de armazenamento de hidrogênio e cinética favorável, tornando-a uma opção confiável para aplicações automotivas e de consumo. Por exemplo, as baterias NiMH seladas usadas no Toyota™ Prius (modelos II-V) são baseadas em materiais do tipo AB₅ e demonstraram uma vida útil de até 150.000 milhas, conforme relatado nos testes de laboratório do fabricante.¹⁹

As estruturas do tipo AB₂, por outro lado, também consistem em dois componentes metálicos, mas oferecem características eletroquímicas ligeiramente diferentes. Embora as ligas AB₂ possam apresentar capacidades de hidrogênio mais altas, sua estabilidade de fase e resistência à degradação durante o ciclo podem variar, dependendo da composição e da microestrutura.

Na pesquisa de baterias, os hidretos AB₅ e AB₂ são analisados de perto quanto a seus parâmetros de rede, transformações de fase e estabilidade térmica, pois até mesmo pequenos ajustes nos elementos de liga podem afetar significativamente o desempenho e a vida útil. Esses compostos - agora frequentemente chamados de "hidretos clássicos" - continuam sendo altamente relevantes. Por meio da microliga dos metais dos sítios A e B, os pesquisadores conseguiram melhorar a estabilidade eletroquímica e estender ainda mais a vida útil do ciclo, tornando-os fortes candidatos para a próxima geração de baterias NiMH de alto desempenho.

Reações eletroquímicas em baterias de hidreto metálico de níquel

No núcleo das baterias de hidreto metálico de níquel, as reações eletroquímicas são usadas para a produção de energia elétrica. Aqui, o hidreto metálico é usado para o armazenamento de átomos de hidrogênio. Quando a bateria está em estado de descarga, os íons de hidrogênio se afastam do hidreto metálico e vão para o eletrodo de óxido de níquel. Durante o movimento, os elétrons também viajam no circuito externo.

Durante a recarga, ocorre o processo inverso. Os átomos de hidrogênio voltam para a estrutura metálica. A reação é reversível. Essa propriedade ajuda a tornar a bateria conveniente. A bateria pode ser reutilizada. O mecanismo de reação foi considerado eficaz em vários estudos de pesquisa.

Conclusão

Os hidretos metálicos formam uma parte vital das aplicações da bateria de hidreto metálico de níquel. Eles melhoram o desempenho e a estabilidade. Suas estruturas cristalinas exclusivas ajudam no armazenamento e na liberação de energia. As reações eletroquímicas envolvidas são simples. Os benefícios sociais incluem sistemas de energia mais seguros e menor impacto ambiental.

Perguntas frequentes

F: Qual é a função dos hidretos metálicos nessas baterias?
P: Eles absorvem e liberam hidrogênio para ajudar a gerenciar a energia da bateria.

F: Como as estruturas cristalinas afetam o desempenho da bateria?
P: Elas determinam a capacidade de armazenamento e liberação do hidrogênio nos eletrodos.

F: Por que as baterias de hidreto metálico de níquel são preferidas em veículos híbridos?
P: Elas oferecem boa densidade de energia, segurança e confiabilidade e, ao mesmo tempo, reduzem os danos ambientais.