Classificação de baterias de íons de lítio sob a perspectiva dos materiais

(Classificação de baterias de íons de lítio sob a perspectiva dos materiais)

Semelhante às baterias de chumbo e níquel, os íons de lítio usam um eletrodo positivo (cátodo), um eletrodo negativo (ânodo) e um eletrólito como condutor. O fio positivo é um óxido de metal, e o eletrodo negativo é composto de grafite poroso. Durante a descarga, os íons de lítio se movem do eletrodo negativo para o eletrodo positivo através do eletrólito e do separador; durante o carregamento, os íons de lítio fluem do eletrodo positivo para o eletrodo negativo em direções opostas.

 

Quando a bateria é carregada e descarregada, o Li+ circula entre os eletrodos positivo e negativo; durante a descarga, o ânodo oxida, perde elétrons e o cátodo é reduzido para obter partículas; durante o carregamento, a carga se move na direção oposta.

 

Existem muitos tipos de baterias de íons de lítio, dependendo do material do eletrodo. Mas quando você escolhe materiais diferentes, o desempenho da bateria varia muito.

 

Os materiais do eletrodo positivo contêm todos Li+. Óxido de lítio-cobalto comum (óxido de lítio-cobalto), óxido de lítio-manganês (também conhecido como espinélio ou manganato de lítio), fosfato de ferro-lítio, material ternário de níquel-cobalto-manganês (NMC) [3] e óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA). Todos esses materiais têm um limite teórico de energia superior (o íon-lítio tem uma capacidade teórica de cerca de 2000 kWh, que é mais de dez vezes a energia específica de uma bateria comercial de íon-lítio).

 

A bateria de íons de lítio original da Sony usa coque (um produto de carvão) como um material de eletrodo prejudicial. Desde 1997, a maioria dos fabricantes de baterias de íons de lítio, incluindo a Sony, converteu materiais de ânodo em grafite, resultando em uma curva de descarga plana. O grafite é uma forma de carbono usada em lápis. Ele pode armazenar íons de lítio bem durante o carregamento e tem um ciclo longo e excelente estabilidade. Dos materiais de carbono, o grafite é o mais comum, seguido pelo carbono duro e carbono macio. Outros carbonos, como nanotubos de carbono, ainda não encontraram seu uso comercial. A figura abaixo compara as curvas de descarga de tensão de uma bateria de íons de lítio moderna com grafite como eletrodo negativo e uma bateria de íons de lítio com um antigo eletrodo negativo de coque.

 

Na faixa de descarga operacional normal, a bateria deve ter uma curva de tensão plana, o que é melhor do que o antigo coque.

 

Os materiais de ânodo também estão evoluindo, e os pesquisadores estão continuamente experimentando novos materiais, incluindo ligas à base de silício. Nessa liga, seis átomos de carbono são ligados a um íon de lítio, e um átomo de silício pode ligar quatro íons de lítio. Isso significa que o eletrodo de silício negativo pode teoricamente armazenar dez vezes a energia do material de grafite. Atualmente, os materiais de silício aumentaram em 20%-30% em capacidade específica ao custo de reduzir o potencial de carga e o ciclo de vida. No entanto, o problema é que durante o processo de carregamento, os íons de lítio são facilmente expandidos em volume após serem incorporados ao material à base de silício (crescendo para mais de quatro vezes o tamanho inicial).

 

O sal de titanato de lítio nanoestruturado tem boa vida útil e capacidade de carga, excelente desempenho em baixa temperatura e desempenho de segurança funcional como um material de eletrodo prejudicial. Ainda assim, sua função específica é baixa e o custo é alto.

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