Hidretos metálicos para aplicações em baterias de hidreto metálico de níquel

Descrição

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 hidretos metálicos são compostos formados quando o hidrogênio se liga aos metais. Esses compostos têm uma grande capacidade de absorver e liberar hidrogênio. Isso os torna uma parte essencial dos sistemas de hidreto metálico de níquel. Atualmente, os hidretos metálicos são usados em veículos híbridos, eletrônicos de consumo e outros campos em que são necessárias baterias recarregáveis.

Comparação de tipos de baterias

Há muitos tipos de baterias disponíveis atualmente.

Por exemplo, as baterias de hidreto metálico de níquel funcionam de forma diferente das baterias de níquel cádmio. As baterias de níquel-cádmio usam cádmio e são conhecidas por seus efeitos de memória. As baterias de níquel-hidreto metálico usam hidretos metálicos e apresentam menos perda de memória.

As baterias de íons de lítio são outra opção. Elas oferecem alta capacidade, mas exigem cuidados especiais ao serem carregadas. As baterias de chumbo-ácido são pesadas e precisam de manutenção. Cada tipo de bateria tem pontos fortes e fracos.

Nas aplicações de baterias de hidreto metálico de níquel, os hidretos metálicos oferecem um bom equilíbrio entre densidade de energia e segurança. Ao longo dos anos, os engenheiros têm preferido os sistemas de hidreto metálico para muitos usos portáteis e automotivos.

Leitura adicional: A evolução das baterias de veículos elétricos: De chumbo-ácido a íon-lítio

Estruturas cristalinas de materiais de baterias de níquel-hidreto metálico

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, o que a torna 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 aos 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

Nas baterias de hidreto metálico de níquel, as reações eletroquímicas estão no centro da geração de energia. O hidreto metálico armazena átomos de hidrogênio. Quando a bateria está sendo descarregada, os íons de hidrogênio se afastam do hidreto metálico. Eles vão para o eletrodo de óxido de níquel. Nesse processo, os elétrons fluem no circuito externo. A bateria produz corrente elétrica para os dispositivos.

Durante o carregamento, ocorre o inverso. Os átomos de hidrogênio retornam à estrutura metálica. As reações são reversíveis. Essa reversibilidade aumenta a conveniência. A bateria pode ser usada várias vezes. Em muitos estudos, esse mecanismo de reação simples se mostrou confiável e eficiente.

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.