O coração da bateria de íons de lítio: Materiais do cátodo

Introdução

Nos últimos anos, as baterias de energia se desenvolveram rapidamente como o principal componente dos veículos de energia nova. A bateria de íon-lítio é a bateria de energia mais comumente usada em automóveis de nova energia, que consiste principalmente de material de ânodo, material de cátodo, diafragma e eletrólito. Os materiais catódicos são responsáveis por mais de 40% do custo total das baterias de lítio, e seu desempenho afeta diretamente os indicadores de desempenho das baterias de lítio. Portanto, os materiais catódicos desempenham um papel central nas baterias de lítio.

Principais materiais catódicos

Óxido de lítio-cobalto (LiCoO2)

O óxido de lí tio-cobalto é um composto inorgânico e um dos materiais de cátodo mais usados para baterias de íon-lítio. Ele tem uma estrutura bidimensional em camadas adequada para a declinação de íons de lítio. Sua capacidade teórica é de 274mAh/g, mas a capacidade específica real é de cerca de 140mAh/g devido a limitações de estabilidade estrutural. O óxido de lítio-cobalto é fácil de preparar e tem muitas vantagens, como alto desempenho eletroquímico, bom desempenho de circulação e bom desempenho de carga e descarga. Apesar de suas vantagens, seu alto custo e as preocupações ambientais com a mineração de cobalto impulsionaram a pesquisa de materiais alternativos.

Óxido de lítio-níquel (LiNiO2)

O óxido de lítio-níquel tem uma estrutura cúbica de sal-gema semelhante à do óxido de lítio-cobalto, mas é mais barato. Ele oferece estabilidade em altas temperaturas, baixa taxa de autodescarga, sem limitações de sobrecarga e descarga excessiva e sem poluição. No entanto, é difícil de preparar devido aos altos requisitos de controle das condições do processo e à propensão de produzir compostos não estequiométricos, o que limita seu uso como material de cátodo. Seu potencial de maior densidade de energia o torna um candidato atraente para futuras tecnologias de bateria, apesar dos desafios de preparação.

Fosfato de lítio e ferro (LiFePO4)

O fosfato de lítio e ferro é uma estrutura de olivina e pertence ao sistema de cristal ortogonal. Sua capacidade específica teórica é de 170mAh/g, e a tensão teórica é de 3,5 V. Ele apresenta mudanças estruturais mínimas antes e depois da carga e da descarga, oferecendo bom desempenho de circulação e estabilidade em altas temperaturas. No entanto, é altamente polarizável em altas taxas de energia, o que leva a uma rápida queda na capacidade reversível, tornando-o inadequado para carga e descarga de alta corrente. Seu excelente perfil de segurança e o longo ciclo de vida o tornam ideal para aplicações em que a segurança e a durabilidade são priorizadas em relação à densidade de energia.

Óxido de lítio, níquel, manganês e cobalto (NMC)

Os óxidos compostos de lítio-níquel-manganês-cobalto têm um efeito sinérgico devido à adição de Ni, Co e Mn, integrando as vantagens do LiCoO2, LiNiO2 e LiMnO2. A adição de Ni aumenta a capacidade do material, o Co estabiliza a estrutura em camadas e o Mn reduz os custos do material e melhora a segurança. Os materiais NMC estão se tornando cada vez mais populares devido às suas características de desempenho equilibradas. Sua versatilidade permite o ajuste das proporções de níquel, manganês e cobalto para otimizar o desempenho de aplicações específicas, como veículos elétricos ou armazenamento em rede.

Conclusão

Os materiais catódicos são fundamentais para determinar o desempenho, o custo e a segurança das baterias de íons de lítio. O desenvolvimento de materiais avançados de cátodo é essencial para o avanço das baterias de íon-lítio de alta energia, longa vida útil e econômicas para veículos de energia nova. A pesquisa e a inovação contínuas nesse campo prometem impulsionar mais melhorias na tecnologia de baterias, apoiando a crescente demanda por soluções de energia sustentável.