Algo que você deve saber sobre a bateria de íons de lítio

Introdução

As baterias de íons de lítio, geralmente abreviadas como LIBs, são dispositivos recarregáveis de armazenamento de energia que se tornaram o padrão ouro para alimentar uma ampla gama de tecnologias modernas. De nossos smartphones e laptops a veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia renovável, as LIBs transformaram a maneira como usamos e armazenamos energia elétrica. Neste artigo, exploraremos o papel fundamental que as LIBs desempenham nesses setores, fornecendo uma melhor compreensão de seus princípios de funcionamento, matérias-primas, vantagens e aplicações.

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Figura 1. Bateria de íons de lítio

Princípios operacionais da bateria de íons de lítio

As baterias de íons de lítio utilizam um processo eletroquímico notável. Elas operam com base no princípio de transporte de íons de lítio (Li+) entre dois componentes essenciais: o ânodo e o cátodo. Durante a fase de carga, os íons de lítio são extraídos do cátodo e armazenados no ânodo, criando uma diferença de energia potencial. Na fase de descarga, quando a bateria está fornecendo energia, esses íons fluem de volta para o cátodo por meio de uma solução eletrolítica.

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Figura 2. Estrutura da bateria de íons de lítio

Materiais da bateria de íons de lítio

No processo eletroquímico, diferentes materiais LIB são cuidadosamente selecionados e projetados para maximizar o desempenho, a densidade de energia e a eficiência geral da bateria. Aqui estão os principais componentes dos materiais da bateria de íons de lítio:

-Materiais de ânodo

Os ânodos das LIBs geralmente são feitos de materiais que podem intercalar (absorver e liberar) íons de lítio durante os ciclos de carga e descarga. Entre os materiais de ânodo comuns estão o grafite e o silício.

lO grafite é o material anódico mais comumente usado em baterias comerciais de íon-lítio por sua estabilidade e desempenho eletroquímico .

lO silício tem uma capacidade teórica maior de armazenamento de lítio em comparação com o grafite. Entretanto, a expansão e a contração do silício durante os ciclos de litiação e deslitiação apresentam desafios de engenharia.

--Materiais do cátodo:

Os cátodos são outro componente essencial e determinam a tensão e a capacidade da bateria. Diferentes materiais de cátodo têm platôs de tensão e densidades de energia variáveis.

lO óxido de lítio-cobalto (LiCoO2) tem sido amplamente utilizado em LIBs de primeira geração, especialmente em eletrônicos de consumo. Ele oferece boa densidade de energia, mas é menos comum em aplicações de alta capacidade e alta potência devido a preocupações com segurança e custo.

lO fosfato de lítio e ferro (LiFePO4) é conhecido por sua segurança e longa vida útil. É frequentemente usado em veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia renovável, nos quais a segurança e a longevidade são fundamentais.

lOs cátodos de óxido de lítio níquel-cobalto-manganês (NCM) e de óxido de lítio níquel-cobalto-alumínio (NCA) são comumente usados em baterias de veículos elétricos. Eles oferecem um equilíbrio entre densidade de energia e densidade de potência.

lO óxido de lítio-manganês (LMO) é valorizado por sua estabilidade térmica e segurança, o que o torna adequado para aplicações em que o gerenciamento de temperatura é uma preocupação.

--Eletrólito:

O eletrólito é o meio condutor que permite que os íons de lítio se movam entre o ânodo e o cátodo durante a carga e a descarga. Os eletrólitos comuns incluem sais de lítio dissolvidos em solventes orgânicos, mas os eletrólitos de estado sólido estão sendo desenvolvidos para aumentar a segurança e a densidade de energia.

--Separador:

Os separadores são membranas porosas que separam fisicamente o ânodo e o cátodo, permitindo a passagem de íons de lítio. Normalmente, eles são feitos de polietileno (PE) ou polipropileno (PP) e desempenham um papel fundamental na prevenção de curtos-circuitos e no aumento da segurança.

Vantagens das baterias de íon-lítio

As baterias de íon-lítio oferecem inúmeras vantagens que as tornaram a escolha preferida para uma ampla gama de aplicações. Aqui estão algumas das principais vantagens das LIBs.

lEficiência: As LIBs têm uma alta densidade de energia, são recarregáveis e têm uma baixa taxa de autodescarga.

lDurabilidade: As LIBs podem operar com eficiência em uma ampla gama de temperaturas, desde o frio abaixo de zero até o calor intenso. Elas têm um ciclo de vida longo, o que significa que podem passar por vários ciclos de carga e descarga antes de sofrer uma degradação significativa da capacidade.

lSustentabilidade: As LIBs produzem menos emissões e têm uma pegada ambiental menor em comparação com algumas soluções alternativas de armazenamento de energia.

lSegurança: As LIBs modernas incorporam recursos de segurança, como proteção térmica, proteção contra sobrecarga e sistemas de gerenciamento de bateria (BMS) integrados para monitorar e gerenciar o desempenho e a segurança da bateria.

Aplicações de baterias de íons de lítio

Essas vantagens posicionaram as baterias de íons de lítio como uma força dominante no mercado de armazenamento de energia, impulsionando inovações em um amplo espectro de aplicações:

lEletrônicos de consumo: As LIBs alimentam nossos smartphones, tablets, laptops, câmeras e inúmeros outros dispositivos portáteis, fornecendo a fonte de energia duradoura e de alto desempenho necessária para nossas vidas cada vez mais conectadas.

lVeículos elétricos (EVs): As LIBs são essenciais para a revolução da mobilidade elétrica, servindo como o principal sistema de armazenamento de energia em carros elétricos. Sua capacidade de armazenar grandes quantidades de energia e fornecê-la de forma eficiente impulsionou o crescimento do mercado de veículos elétricos.

lArmazenamento de energia renovável: Essas baterias são essenciais para o armazenamento de eletricidade gerada por fontes renováveis, como painéis solares e turbinas eólicas. Essa energia armazenada pode ser usada durante períodos de baixa produção de energia renovável ou durante o pico de demanda.

lAeroespacial: As LIBs são usadas em aplicações aeroespaciais, incluindo a alimentação de satélites, naves espaciais e veículos aéreos não tripulados (UAVs), onde sua alta densidade de energia e confiabilidade são essenciais.

lDispositivos médicos: Elas são empregadas em equipamentos médicos, garantindo que dispositivos críticos, como desfibriladores cardíacos implantáveis (CDIs) e monitores médicos portáteis, permaneçam operacionais quando mais necessários.

Conclusão

Em resumo, as baterias de íons de lítio deram início a uma era transformadora de soluções de energia mais limpas, eficientes e sustentáveis. Esses notáveis dispositivos de armazenamento de energia revolucionaram a forma como alimentamos nossos dispositivos, veículos e sistemas de energia renovável, deixando uma marca indelével em vários setores com alta densidade de energia, durabilidade e versatilidade.

Uma variedade de materiais para baterias de íon-lítio está à venda na Stanford Advanced Materials (SAM), incluindo óxido de lítio-níquel-cobalto-manganês (NCM), óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA), óxido de lítio-cobalto (LCO), fosfato de lítio-ferro (LFP), etc. Se estiver interessado, envie-nos uma consulta.

Referências:

[1] Chandler, D. L. (2023, 23 de março). Estudo revela queda nos custos das baterias de íons de lítio. MIT News. Recuperado em 12 de setembro de 2023, de https://news.mit.edu/2021/lithium-ion-battery-costs-0323

[2] Ghiji, M.; Novozhilov, V.; Moinuddin, K.; Joseph, P.; Burch, I.; Suendermann, B.; Gamble, G. A Review of Lithium-Ion Battery Fire Suppression. Energies 2020, 13, 5117. https://doi.org/10.3390/en13195117