Visão geral da bateria de lítio | Energia Renovável BSLBATT

A BSLBATT Engineered Technologies utiliza nossas experientes equipes de engenharia, design, qualidade e fabricação para que nossos clientes possam ter certeza de soluções de baterias tecnicamente avançadas que atendem aos requisitos exclusivos de suas aplicações específicas. Somos especializados em design de células de lítio recarregáveis ​​e não recarregáveis ​​e baterias, trabalhando com uma variedade de produtos químicos de células de lítio para oferecer opções e soluções para aplicações exigentes em todo o mundo.

Pacote de bateria de lítio Tecnologias

Nossa ampla capacidade de fabricação nos permite construir desde conjuntos de baterias mais básicos até conjuntos personalizados com circuitos, conectores e invólucros especializados. De baixo a alto volume, temos a capacidade e o conhecimento do setor para atender às necessidades exclusivas de todos os OEMs, já que nossa experiente equipe de engenharia pode projetar, desenvolver, testar e fabricar soluções de baterias personalizadas para as necessidades específicas da maioria das aplicações.

A BSLBATT oferece soluções prontas para uso com base nos requisitos e especificações do cliente. Fazemos parceria com os fabricantes de células líderes do setor para fornecer as soluções ideais e desenvolvemos e integramos os mais sofisticados componentes eletrônicos de controle e monitoramento em suas baterias.

Como funciona uma bateria de íon de lítio?

As baterias de íons de lítio aproveitam o forte potencial de redução dos íons de lítio para alimentar a reação redox central para todas as tecnologias de bateria – redução no cátodo, oxidação no ânodo. Conectar os terminais positivo e negativo de uma bateria por meio de um circuito une as duas metades da reação redox, permitindo que o dispositivo conectado ao circuito extraia energia do movimento dos elétrons.

Embora existam muitos tipos diferentes de produtos químicos à base de lítio usados ​​na indústria hoje, usaremos o óxido de lítio-cobalto (LiCoO2) - o produto químico que permitiu que as baterias de íon-lítio substituíssem as baterias de níquel-cádmio que eram a norma para o consumidor. eletrônica até a década de 90 — para demonstrar a química básica por trás dessa tecnologia popular.

A reação completa para um cátodo LiCoO2 e um ânodo de grafite é a seguinte:

LiCoO2 + C ⇌ Li1-xCoO2 + LixC

Onde a reação direta representa carga e a reação inversa representa descarga. Isso pode ser dividido nas seguintes semi-reações:

No eletrodo positivo, ocorre redução no cátodo durante a descarga (ver reação reversa).

LiCo3+O2 ⇌ xLi+ + Li1-xCo4+xCo3+1-xO2 + e-

No eletrodo negativo, ocorre oxidação no ânodo durante a descarga (ver reação reversa).

C + xLi+ + e- ⇌ LixC

Durante a descarga, os íons de lítio (Li+) movem-se do eletrodo negativo (grafite) através do eletrólito (sais de lítio suspensos em uma solução) e do separador para o eletrodo positivo (LiCoO2). Ao mesmo tempo, os elétrons se movem do ânodo (grafite) para o cátodo (LiCoO2), que está conectado através de um circuito externo. Se for aplicada uma fonte de energia externa, a reação é invertida junto com as funções dos respectivos eletrodos, carregando a célula.

O que há em uma bateria de íon de lítio

Sua célula 18650 cilíndrica típica, que é o formato comum usado pela indústria para aplicações comerciais, de laptops a veículos elétricos, tem uma OCV (tensão de circuito aberto) de 3,7 volts. Dependendo do fabricante pode entregar cerca de 20 amperes com capacidade de 3000mAh ou mais. A bateria será composta por múltiplas células e geralmente inclui um microchip de proteção para evitar sobrecarga e descarga abaixo da capacidade mínima, o que pode causar superaquecimento, incêndios e explosões. Vamos dar uma olhada mais de perto no interior de uma célula.

Eletrodo/Cátodo Positivo

A chave para projetar um eletrodo positivo é escolher um material que tenha um potencial elétrico superior a 2,25 V quando comparado com metais de lítio puro. Os materiais catódicos em íons de lítio variam muito, mas geralmente possuem óxidos de metal de transição de lítio em camadas, como o design do cátodo LiCoO2 que exploramos anteriormente. Outros materiais incluem espinélios (ou seja, LiMn2O4) e olivinas (ou seja, LiFePO4).

Eletrodo/Ânodo Negativo

Em uma bateria de lítio ideal, você usaria lítio metálico puro como ânodo, porque ele fornece a combinação ideal de baixo peso molecular e alta capacidade específica possível para uma bateria. Existem dois problemas principais que impedem o uso do lítio como ânodo em aplicações comerciais: segurança e reversibilidade. O lítio é altamente reativo e propenso a falhas catastróficas do tipo pirotécnico. Também durante a carga, o lítio não retornará ao seu estado metálico uniforme original, em vez de adotar uma morfologia semelhante a uma agulha conhecida como dendrito. A formação de dendritos pode levar a separadores perfurados que podem causar curtos-circuitos.

A solução que os pesquisadores desenvolveram para aproveitar as vantagens do metal de lítio sem todos os contras foi a intercalação de lítio – o processo de estratificação de íons de lítio dentro de grafite de carbono ou algum outro material, para permitir a fácil movimentação de íons de lítio de um eletrodo para outro. Outros mecanismos envolvem o uso de materiais anódicos com lítio que tornam mais possíveis reações reversíveis. Os materiais anódicos típicos incluem grafite, ligas à base de silício, estanho e titânio.

Separador

A função do separador é fornecer uma camada de isolamento elétrico entre os eletrodos negativo e positivo, ao mesmo tempo que permite que os íons viajem através dele durante a carga e a descarga. Deve também ser quimicamente resistente à degradação pelo eletrólito e outras espécies na célula e mecanicamente forte o suficiente para resistir ao desgaste. Os separadores comuns de íons de lítio são geralmente de natureza altamente porosa e consistem em folhas de polietileno (PE) ou polipropileno (PP).

Eletrólito

O papel de um eletrólito em uma célula de íons de lítio é fornecer um meio através do qual os íons de lítio possam fluir livremente entre o cátodo e o ânodo durante os ciclos de carga e descarga. A ideia é escolher um meio que seja ao mesmo tempo um bom condutor de Li+ e um isolante eletrônico. O eletrólito deve ser termicamente estável e quimicamente compatível com os outros componentes da célula. Geralmente, sais de lítio como LiClO4, LiBF4 ou LiPF6 suspensos em um solvente orgânico como carbonato de dietila, carbonato de etileno ou carbonato de dimetila servem como eletrólito para projetos convencionais de íons de lítio.

Interfase de eletrólito sólido (SEI)

Um conceito de projeto importante para entender as células de íons de lítio é a interfase do eletrólito sólido (SEI) - um filme de passivação que se acumula na interface entre o eletrodo e o eletrólito à medida que os íons Li + reagem com os produtos de degradação do eletrólito. O filme se forma no eletrodo negativo durante a carga inicial da célula. O SEI protege o eletrólito de decomposição adicional durante cargas subsequentes da célula. A perda desta camada passivadora pode impactar negativamente o ciclo de vida, o desempenho elétrico, a capacidade e a vida geral de uma célula. Por outro lado, os fabricantes descobriram que podem melhorar o desempenho da bateria ajustando o SEI.

Conheça a família de baterias de íons de lítio

O fascínio do lítio como material de eletrodo ideal para aplicações em baterias levou ao surgimento de muitos tipos de baterias de íon-lítio. Aqui estão cinco das baterias mais comuns disponíveis comercialmente no mercado.

Óxido de Lítio-Cobalto

Já abordamos detalhadamente as baterias LiCoO2 neste artigo porque elas representam a química mais popular para eletrônicos portáteis, como celulares, laptops e câmeras eletrônicas. O LiCoO2 deve seu sucesso à sua alta energia específica. A vida útil curta, a baixa estabilidade térmica e o preço do cobalto fazem com que os fabricantes mudem para designs de cátodos mistos.

Óxido de Lítio Manganês

As baterias de óxido de lítio-manganês (LiMn2O4) usam cátodos baseados em MnO2. Em comparação com as baterias LiCoO2 padrão, as baterias LiMn2O4 são menos tóxicas, custam menos e são mais seguras de usar, mas com capacidade reduzida. Embora projetos recarregáveis ​​tenham sido explorados no passado, a indústria atual normalmente usa essa química para células primárias (ciclo único) que não são recarregáveis ​​e devem ser descartadas após o uso. Durável, alta estabilidade térmica e longa vida útil os tornam excelentes para ferramentas elétricas ou dispositivos médicos.

Óxido de cobalto de manganês de lítio-níquel

Às vezes, o todo é maior do que a soma de suas partes, e as baterias de lítio-níquel-manganês-óxido de cobalto (também conhecidas como baterias NCM) apresentam maior desempenho elétrico do que o LiCoO2. O NCM ganha força ao equilibrar os prós e os contras de seus materiais catódicos individuais. Um dos sistemas de íons de lítio de maior sucesso no mercado, o NCM é amplamente utilizado em motores, como ferramentas elétricas e bicicletas elétricas.

Fosfato de Ferro Lítio

As baterias de fosfato de ferro e lítio (LiFePO4) alcançam um ciclo de vida longo e alta classificação de corrente com boa estabilidade térmica com a ajuda de material catódico de fosfato nanoestruturado. Apesar destas melhorias, não é tão densa em energia como as tecnologias de mistura de cobalto e tem a maior taxa de autodescarga das outras baterias desta lista. As baterias LiFePO4 são populares como uma alternativa ao chumbo-ácido como bateria de arranque de carro.

Titanato de Lítio

A substituição do ânodo de grafite por nanocristais de titanato de lítio aumenta muito a área superficial do ânodo para cerca de 100 m2 por grama. O ânodo nanoestruturado aumenta o número de elétrons que podem fluir através do circuito, dando às células de titanato de lítio a capacidade de serem carregadas e descarregadas com segurança a taxas superiores a 10C (dez vezes sua capacidade nominal). A desvantagem de ter o ciclo de carga e descarga mais rápido das baterias de íon de lítio é uma tensão relativamente mais baixa de 2,4 V por célula, células de titanato de lítio na extremidade inferior do espectro de densidade de energia das baterias de lítio, mas ainda mais altas do que produtos químicos alternativos como níquel- cádmio. Apesar desta desvantagem, o desempenho elétrico geral, a alta confiabilidade, a estabilidade térmica e um ciclo de vida extra longo significam que a bateria ainda pode ser usada em veículos elétricos.

O futuro das baterias de íon-lítio

Há um grande impulso por parte de empresas e governos de todo o mundo para prosseguirem a investigação e o desenvolvimento em tecnologias de iões de lítio e outras tecnologias de baterias para satisfazer a crescente procura de energia limpa e redução das emissões de carbono. Fontes de energia inerentemente intermitentes, como a solar e a eólica, poderiam beneficiar enormemente da elevada densidade energética e do longo ciclo de vida do ião de lítio, o que já ajudou a tecnologia a dominar o mercado dos veículos eléctricos.

Para satisfazer esta procura crescente, os investigadores já começaram a expandir os limites do ião-lítio existente de formas novas e excitantes. As células de polímero de lítio (Li-Po) substituem os perigosos eletrólitos líquidos à base de sal de lítio por géis de polímero mais seguros e designs de células semi-úmidas, para desempenho elétrico comparável com segurança aprimorada e peso mais leve. O lítio em estado sólido é a mais nova tecnologia do mercado, prometendo melhorias na densidade de energia, segurança, ciclo de vida e longevidade geral com a estabilidade de um eletrólito sólido. É difícil prever qual tecnologia vencerá a corrida pela solução definitiva de armazenamento de energia, mas o íon-lítio certamente continuará a desempenhar um papel importante na economia energética nos próximos anos.

Provedor de soluções de armazenamento de energia

Fabricamos produtos de última geração, combinando engenharia de precisão com ampla experiência em aplicações para auxiliar os clientes na integração de soluções de armazenamento de energia em seus produtos. A BSLBATT Engineered Technologies possui tecnologia comprovada e experiência em integração para levar suas aplicações desde a concepção até a comercialização.

Para saber mais, consulte nossa postagem no blog em armazenamento de bateria de lítio .