| Materiais de bateria de íon de lítio são componentes essenciais na produção de baterias de íon de lítio , que são amplamente utilizados em vários dispositivos eletrônicos, veículos elétricos e sistemas de energia renovável. Essas baterias consistem em vários materiais essenciais que trabalham juntos para armazenar e liberar energia elétrica de forma eficiente. Materiais Catódicos
Os materiais catódicos de última geração incluem óxidos metálicos de lítio [como LiCoO 2 , LiMn 2 Ó 4 e Li(NixMnyCoz)O 2 ], óxidos de vanádio, olivinas (como LiFePO 4 ) e óxidos de lítio recarregáveis. 11,12 Óxidos em camadas contendo cobalto e níquel são os materiais mais estudados para baterias de íon-lítio. Eles apresentam alta estabilidade na faixa de alta tensão, mas o cobalto tem disponibilidade limitada na natureza e é tóxico, o que é uma tremenda desvantagem para a fabricação em massa. O manganês oferece uma substituição de baixo custo com alto limite térmico e excelente capacidade de taxa, mas comportamento de ciclagem limitado. Portanto, misturas de cobalto, níquel e manganês são frequentemente utilizadas para combinar as melhores propriedades e minimizar as desvantagens. Os óxidos de vanádio possuem grande capacidade e excelente cinética. Porém, devido à inserção e extração do lítio, o material tende a se tornar amorfo, o que limita o comportamento da ciclagem. As olivinas não são tóxicas e têm capacidade moderada com baixo desbotamento devido à ciclagem, mas sua condutividade é baixa. Foram introduzidos métodos de revestimento do material que compensam a baixa condutividade, mas acrescentam alguns custos de processamento à bateria.
Materiais anódicos
Os materiais anódicos são lítio, grafite, materiais de liga de lítio, intermetálicos ou silício. 11 O lítio parece ser o material mais simples, mas apresenta problemas com o comportamento cíclico e o crescimento dendrítico, o que cria curtos-circuitos. Os ânodos carbonáceos são o material anódico mais utilizado devido ao seu baixo custo e disponibilidade. No entanto, a capacidade teórica (372 mAh/g) é fraca em comparação com a densidade de carga do lítio (3.862 mAh/g). Alguns esforços com novas variedades de grafite e nanotubos de carbono tentaram aumentar a capacidade, mas resultaram em elevados custos de processamento. Ânodos de liga e compostos intermetálicos têm altas capacidades, mas também mostram uma mudança drástica de volume, resultando em mau comportamento de ciclagem. Esforços têm sido feitos para superar a mudança de volume usando materiais nanocristalinos e tendo a fase de liga (com Al, Bi, Mg, Sb, Sn, Zn e outros) em uma matriz de estabilização não ligante (com Co, Cu, Fe ou Ni). O silício tem uma capacidade extremamente elevada de 4.199 mAh/g, correspondendo a uma composição de Si 5 Li 22 . No entanto, o comportamento da bicicleta é fraco e a diminuição da capacidade ainda não é compreendida. Eletrólitos
Uma bateria segura e duradoura precisa de um eletrólito robusto que possa suportar a tensão existente e as altas temperaturas e que tenha uma longa vida útil, ao mesmo tempo que oferece alta mobilidade para íons de lítio. Os tipos incluem eletrólitos líquidos, poliméricos e de estado sólido. 11 Os eletrólitos líquidos são principalmente eletrólitos orgânicos à base de solvente contendo LiBC 4 Ó 8 (LiBOB), LiPF 6 , Li[PF 3 (C 2 F 5 ) 3 ], ou semelhante. A consideração mais importante é a sua inflamabilidade; os solventes de melhor desempenho têm pontos de ebulição baixos e pontos de inflamação em torno de 30°C. Portanto, a ventilação ou explosão da célula e subsequentemente da bateria representam um perigo. A decomposição de eletrólitos e reações colaterais altamente exotérmicas em baterias de íons de lítio podem criar um efeito conhecido como “fuga térmica”. Assim, a selecção de um electrólito envolve frequentemente uma compensação entre inflamabilidade e desempenho electroquímico. Separadores Uma boa revisão dos materiais e necessidades do separador é fornecida por P. Arora e Z. Zhang. 14 Como o próprio nome sugere, o separador de bateria separa fisicamente os dois eletrodos um do outro, evitando assim um curto-circuito. No caso de um eletrólito líquido, o separador é um material de espuma que é embebido no eletrólito e o mantém no lugar. Ele precisa ser um isolante eletrônico e ao mesmo tempo ter resistência eletrolítica mínima, estabilidade mecânica máxima e resistência química à degradação em ambiente altamente eletroquimicamente ativo. Além disso, o separador geralmente possui um recurso de segurança, denominado “desligamento térmico”; em temperaturas elevadas, derrete ou fecha os poros para interromper o transporte de íons de lítio sem perder sua estabilidade mecânica. Os separadores são sintetizados em folhas e montados com os eletrodos ou depositados em um eletrodo in situ. Em termos de custo, o último é o método preferível, mas apresenta alguns outros problemas de síntese, manuseio e mecânicos. Eletrólitos de estado sólido e alguns eletrólitos poliméricos não precisam de separador. Os separadores possuem mecanismos de desligamento térmico integrados e sistemas externos sofisticados de gerenciamento térmico adicionais são adicionados aos módulos e conjuntos de baterias. Os líquidos iônicos estão sendo considerados devido à sua estabilidade térmica, mas apresentam grandes desvantagens, como a dissolução do lítio no ânodo. Eletrólitos poliméricos são polímeros ionicamente condutores. Eles são frequentemente misturados em compósitos com nanopartículas cerâmicas, resultando em maiores condutividades e resistência a tensões mais altas. Além disso, devido à sua alta viscosidade e comportamento quase sólido, os eletrólitos poliméricos podem inibir o crescimento dos dendritos de lítio. 13 e poderia, portanto, ser usado com ânodos de metal de lítio. Eletrólitos sólidos são cristais condutores de íons de lítio e vidros cerâmicos. Eles mostram um desempenho muito fraco em baixas temperaturas porque a mobilidade do lítio no sólido é bastante reduzida em baixas temperaturas. Além disso, os eletrólitos sólidos necessitam de condições especiais de deposição e tratamentos térmicos para obter um comportamento aceitável, tornando seu uso extremamente caro, embora eliminem a necessidade de separadores e o risco de fuga térmica. Para concluir, materiais de bateria de íon de lítio desempenham um papel vital no desempenho geral e na eficiência de baterias de íon de lítio . Os esforços contínuos de investigação e desenvolvimento continuam a explorar novos materiais e tecnologias para melhorar ainda mais o desempenho e a sustentabilidade das baterias de iões de lítio. |
