Baterias de íon-lítio

por Kim Atualizado: 9 de julho de 2022

As baterias de íons de lítio são baterias recarregáveis ​​que contêm íons de lítio. Eles são usados ​​em tudo, desde telefones celulares até carros. Mas como eles funcionam?

As baterias de íons de lítio usam um processo de intercalação para armazenar energia. Este processo envolve íons de lítio movendo-se entre o cátodo e o ânodo dentro da bateria. Quando cobrando, os íons se movem do ânodo para o cátodo e, ao descarregar, se movem na direção oposta.

Mas isso é apenas uma breve visão geral. Vamos ver tudo com mais detalhes.

O que é uma bateria de íon-lítio?

As baterias de íons de lítio estão em toda parte hoje em dia! Eles alimentam nossos telefones, laptops, veículos elétricos e muito mais. Mas o que exatamente eles são? Vamos olhar mais de perto!

O Básico

As baterias de íons de lítio são compostas por uma ou mais células, uma placa de circuito de proteção e alguns outros componentes:

• Eletrodos: As extremidades carregadas positivamente e negativamente de uma célula. Anexado aos atuais coletores.
• Ânodo: O eletrodo negativo.
• Eletrólito: Um líquido ou gel que conduz eletricidade.
• Coletores de corrente: Folhas condutoras em cada eletrodo da bateria que são conectadas aos terminais da célula. Esses terminais transmitem a corrente elétrica entre a bateria, o dispositivo e a fonte de energia que alimenta a bateria.
• Separador: Um filme polimérico poroso que separa os eletrodos enquanto permite a troca de íons de lítio de um lado para o outro.

Como funciona

Quando você está usando um dispositivo alimentado por uma bateria de íons de lítio, os íons de lítio estão se movendo dentro da bateria entre o ânodo e o cátodo. Ao mesmo tempo, os elétrons estão se movendo no circuito externo. Esse movimento de íons e elétrons é o que cria a corrente elétrica que alimenta seu dispositivo.

Quando a bateria está descarregando, o ânodo libera íons de lítio para o cátodo, gerando um fluxo de elétrons que ajuda a alimentar seu aparelho. Quando a bateria está carregando, acontece o contrário: os íons de lítio são liberados pelo cátodo e recebidos pelo ânodo.

Onde podes encontrá-los?

As baterias de íons de lítio estão em toda parte hoje em dia! Você pode encontrá-los em telefones, laptops, veículos elétricos e muito mais. Portanto, da próxima vez que estiver usando um de seus dispositivos favoritos, lembre-se de que ele é alimentado por uma bateria de íons de lítio!

A fascinante história da bateria de íon-lítio

As primeiras tentativas da NASA

Nos anos 60, a NASA já estava tentando fazer uma bateria recarregável de íons de lítio. Eles desenvolveram uma bateria CuF2/Li, mas não deu muito certo.

Revelação de M. Stanley Whittingham

Em 1974, o químico britânico M. Stanley Whittingham fez uma descoberta quando usou dissulfeto de titânio (TiS2) como material de cátodo. Este tinha uma estrutura em camadas que podia receber íons de lítio sem alterar sua estrutura cristalina. A Exxon tentou comercializar a bateria, mas era muito cara e complexa. Além disso, era propenso a pegar fogo devido à presença de lítio metálico nas células.

Godshall, Mizushima e Goodenough

Em 1980, Ned A. Godshall et al. e Koichi Mizushima e John B. Goodenough substituíram o TiS2 por óxido de cobalto e lítio (LiCoO2 ou LCO). Este tinha uma estrutura em camadas semelhante, mas com uma voltagem mais alta e mais estabilidade no ar.

A invenção de Rachid Yazami

Nesse mesmo ano, Rachid Yazami demonstrou a intercalação eletroquímica reversível de lítio em grafite e inventou o eletrodo de grafite de lítio (ânodo).

O problema da inflamabilidade

O problema da inflamabilidade persistiu, então os ânodos metálicos de lítio foram abandonados. A solução final foi usar um ânodo de intercalação, semelhante ao usado para o cátodo, que impedia a formação de lítio metálico durante o carregamento da bateria.

Desenho de Yoshino

Em 1987, Akira Yoshino patenteou o que se tornaria a primeira bateria comercial de íons de lítio usando um ânodo de “carbono macio” (um material semelhante ao carvão) junto com o cátodo LCO de Goodenough e um eletrólito à base de éster de carbonato.

Comercialização da Sony

Em 1991, a Sony começou a produzir e vender as primeiras baterias recarregáveis ​​de íons de lítio do mundo usando o design de Yoshino.

O Prêmio Nobel

Em 2012, John B. Goodenough, Rachid Yazami e Akira Yoshino receberam a Medalha IEEE 2012 para Tecnologias Ambientais e de Segurança pelo desenvolvimento da bateria de íons de lítio. Então, em 2019, Goodenough, Whittingham e Yoshino receberam o Prêmio Nobel de Química pela mesma coisa.

A capacidade de produção global

Em 2010, a capacidade de produção global de baterias de íons de lítio era de 20 gigawatts-hora. Em 2016, havia crescido para 28 GWh, sendo 16.4 GWh na China. Em 2020, a capacidade de produção global foi de 767 GWh, com a China respondendo por 75%. Em 2021, estima-se que esteja entre 200 e 600 GWh, e as previsões para 2023 variam de 400 a 1,100 GWh.

A ciência por trás das células de íon-lítio 18650

O que é uma célula 18650?

Se você já ouviu falar de uma bateria de laptop ou de um veículo elétrico, provavelmente já ouviu falar de uma célula 18650. Este tipo de célula de íon-lítio tem formato cilíndrico e é usado em uma variedade de aplicações.

O que há dentro de uma célula 18650?

Uma célula 18650 é composta de vários componentes, todos trabalhando juntos para alimentar seu dispositivo:

• O eletrodo negativo geralmente é feito de grafite, uma forma de carbono.
• O eletrodo positivo geralmente é feito de um óxido de metal.
• O eletrólito é um sal de lítio em um solvente orgânico.
• Um separador evita que o ânodo e o cátodo entrem em curto.
• Um coletor de corrente é um pedaço de metal que separa os componentes eletrônicos externos do ânodo e do cátodo.

O que faz uma célula 18650?

Uma célula 18650 é responsável por alimentar seu dispositivo. Ele faz isso criando uma reação química entre o ânodo e o cátodo, que produz elétrons que fluem pelo circuito externo. O eletrólito ajuda a facilitar essa reação, enquanto o coletor de corrente garante que os elétrons não entrem em curto-circuito.

O futuro das células 18650

A demanda por baterias é cada vez maior, então os pesquisadores estão constantemente procurando maneiras de melhorar a densidade de energia, temperatura operacional, segurança, durabilidade, tempo de carregamento e custo de 18650 células. Isso inclui experimentar novos materiais, como o grafeno, e explorar estruturas de eletrodos alternativas.

Portanto, da próxima vez que estiver usando seu laptop ou veículo elétrico, reserve um momento para apreciar a ciência por trás da célula 18650!

Tipos de células de íons de lítio

Cilíndrico Pequeno

Esse é o tipo mais comum de célula de íon-lítio e é encontrado na maioria das bicicletas elétricas e baterias de veículos elétricos. Eles vêm em uma variedade de tamanhos padrão e têm um corpo sólido sem terminais.

Cilíndrico Grande

Essas células de íon-lítio são maiores que as pequenas cilíndricas e possuem grandes terminais rosqueados.

Plana ou Bolsa

Estas são as células macias e planas que você encontrará em telefones celulares e laptops mais novos. Elas também são conhecidas como baterias de polímero de íon-lítio.

Estojo de Plástico Rígido

Essas células vêm com grandes terminais rosqueados e geralmente são usadas em pacotes de tração de veículos elétricos.

Jelly Roll

As células cilíndricas são feitas de uma forma característica de “swiss roll”, que também é conhecido como “jelly roll” nos EUA. Isso significa que é um único “sanduíche” longo do eletrodo positivo, separador, eletrodo negativo e separador enrolado em um único carretel. Os rolos de gelatina têm a vantagem de serem produzidos mais rapidamente do que as células com eletrodos empilhados.

Células de Bolsa

As células de bolsa têm a maior densidade de energia gravimétrica, mas precisam de um meio externo de contenção para evitar a expansão quando seu nível de estado de carga (SOC) é alto.

Baterias de fluxo

As baterias de fluxo são um tipo relativamente novo de bateria de íon-lítio que suspende o material do cátodo ou do ânodo em uma solução aquosa ou orgânica.

A menor célula de íons de lítio

Em 2014, a Panasonic criou a menor célula de íons de lítio. É em forma de pino e tem um diâmetro de 3.5 mm e um peso de 0.6 g. É semelhante às baterias de lítio comuns e geralmente é designada com um prefixo “LiR”.

Pacotes de Bateria

As baterias são compostas por várias células de íons de lítio conectadas e são usadas para alimentar dispositivos maiores, como carros elétricos. Eles contêm sensores de temperatura, circuitos reguladores de tensão, derivações de tensão e monitores de estado de carga para minimizar os riscos de segurança.

Para que servem as baterias de íon-lítio?

Eletrónica de Consumo

As baterias de íons de lítio são a fonte de energia ideal para todos os seus gadgets favoritos. Do seu fiel telefone celular ao seu laptop, digital Câmera, e cigarros elétricos, essas baterias mantêm sua tecnologia funcionando.

Power Tools

Se você é um DIYer, sabe que as baterias de íon de lítio são o caminho a percorrer. Furadeiras sem fio, lixadeiras, serras e até mesmo equipamentos de jardinagem, como tesouras de poda e aparadores de cerca viva, dependem dessas baterias.

Veículos elétricos

Carros elétricos, veículos híbridos, motocicletas e patinetes elétricos, bicicletas elétricas, transportadores pessoais e cadeiras de rodas elétricas avançadas usam baterias de íons de lítio para se locomover. E não vamos esquecer os modelos controlados por rádio, aeromodelos e até o rover Mars Curiosity!

Telecomunicações

As baterias de íons de lítio também são usadas como energia de backup em aplicações de telecomunicações. Além disso, eles estão sendo discutidos como uma opção potencial para armazenamento de energia na rede, embora ainda não sejam competitivos em termos de custo.

O que você precisa saber sobre o desempenho da bateria de íons de lítio

Densidade Energética

Quando se trata de baterias de íon-lítio, você está olhando para uma densidade de energia séria! Estamos falando de 100-250 W·h/kg (360-900 kJ/kg) e 250-680 W·h/L (900-2230 J/cm3). Isso é energia suficiente para iluminar uma pequena cidade!

Voltagem

As baterias de íon-lítio têm maior tensão de circuito aberto do que outros tipos de baterias, como chumbo-ácido, níquel-metal hidreto e níquel-cádmio.

Resistência interna

A resistência interna aumenta com o ciclo e a idade, mas isso depende da voltagem e da temperatura em que as baterias são armazenadas. Isso significa que a tensão nos terminais cai sob carga, reduzindo o consumo máximo de corrente.

O tempo de carga

Foi-se o tempo em que as baterias de íon-lítio demoravam duas horas ou mais para carregar. Hoje em dia, você pode obter uma carga completa em 45 minutos ou menos! Em 2015, os pesquisadores até demonstraram uma bateria com capacidade de 600 mAh carregada até 68% da capacidade em dois minutos e uma bateria de 3,000 mAh carregada até 48% da capacidade em cinco minutos.

Redução de custos

As baterias de íons de lítio percorreram um longo caminho desde 1991. Os preços caíram 97% e a densidade de energia mais do que triplicou. Células de tamanhos diferentes com a mesma química também podem ter densidades de energia diferentes, para que você possa obter mais retorno pelo seu investimento.

Qual é o problema com a vida útil da bateria de íon-lítio?

O Básico

Quando se trata de baterias de íon-lítio, a vida útil geralmente é medida em termos do número de ciclos completos de carga e descarga necessários para atingir um determinado limite. Este limite é geralmente definido como uma perda de capacidade ou um aumento de impedância. Os fabricantes geralmente usam o termo “ciclo de vida” para descrever a vida útil de uma bateria em termos do número de ciclos necessários para atingir 80% de sua capacidade nominal.

Armazenar baterias de íon-lítio carregadas também reduz sua capacidade e aumenta a resistência da célula. Isso se deve principalmente ao crescimento contínuo da interface do eletrólito sólido no ânodo. Todo o ciclo de vida de uma bateria, incluindo o ciclo e as operações de armazenamento inativo, é chamado de vida útil do calendário.

Fatores que afetam a vida útil da bateria

O ciclo de vida de uma bateria é afetado por vários fatores, como:

• Temperatura
• corrente de descarga
• corrente de carga
• Faixas de estado de carga (profundidade de descarga)

Em aplicações do mundo real, como smartphones, laptops e carros elétricos, as baterias nem sempre são totalmente carregadas e descarregadas. É por isso que definir a duração da bateria em termos de ciclos completos de descarga pode ser enganoso. Para evitar essa confusão, os pesquisadores às vezes usam descarga cumulativa, que é a quantidade total de carga (Ah) fornecida pela bateria durante toda a sua vida útil ou ciclos completos equivalentes.

Degradação da bateria

As baterias se degradam gradualmente ao longo de sua vida útil, levando a uma capacidade reduzida e, em alguns casos, a uma menor tensão operacional da célula. Isso se deve a uma variedade de alterações químicas e mecânicas nos eletrodos. A degradação é fortemente dependente da temperatura e altos níveis de carga também aceleram a perda de capacidade.

Alguns dos processos de degradação mais comuns incluem:

• Redução do eletrólito de carbonato orgânico no ânodo, o que resulta no crescimento da Solid Electrolyte Interface (SEI). Isso causa um aumento na impedância ôhmica e uma redução na carga Ah ciclável.

• Revestimento de metal de lítio, que também leva a uma perda de estoque de lítio (carga de Ah ciclável) e curto-circuito interno.

• Perda dos materiais eletroativos (negativos ou positivos) devido à dissolução, rachadura, esfoliação, desprendimento ou mesmo alteração regular de volume durante a ciclagem. Isso aparece quando a carga e a potência diminuem (aumento da resistência).

• Corrosão/dissolução do coletor de corrente de cobre negativo em baixas tensões de célula.

• Degradação do aglutinante PVDF, podendo causar o desprendimento dos materiais eletroativos.

Portanto, se você está procurando uma bateria que dure, fique de olho em todos os fatores que podem afetar seu ciclo de vida!

Os perigos das baterias de íon-lítio

O que são baterias de íon-lítio?

As baterias de íons de lítio são as potências do nosso mundo moderno. Eles são encontrados em tudo, desde smartphones a carros elétricos. Mas, como todas as coisas poderosas, eles vêm com alguns riscos.

Quais são os riscos?

As baterias de íons de lítio contêm um eletrólito inflamável e podem ficar pressurizadas se danificadas. Isso significa que, se uma bateria for carregada muito rapidamente, pode causar um curto-circuito e levar a explosões e incêndios.

Aqui estão algumas das maneiras pelas quais as baterias de íon-lítio podem se tornar perigosas:

• Abuso térmico: Resfriamento deficiente ou incêndio externo
• Abuso elétrico: Sobrecarga ou curto-circuito externo
• Abuso mecânico: penetração ou colisão
• Curto-circuito interno: Defeitos de fabricação ou envelhecimento

O que pode ser feito?

Os padrões de teste para baterias de íon-lítio são mais rigorosos do que aqueles para baterias de ácido-eletrólito. As limitações de envio também foram impostas pelos reguladores de segurança.

Em alguns casos, as empresas tiveram que fazer recall de produtos devido a problemas relacionados à bateria, como o recall do Samsung Galaxy Note 7 em 2016.

Projetos de pesquisa estão em andamento para desenvolver eletrólitos não inflamáveis ​​para reduzir os riscos de incêndio.

Se as baterias de íons de lítio forem danificadas, esmagadas ou submetidas a uma carga elétrica maior sem proteção contra sobrecarga, poderão surgir problemas. O curto-circuito de uma bateria pode fazer com que ela superaqueça e possivelmente pegue fogo.

Concluindo!

As baterias de íons de lítio são poderosas e revolucionaram nosso mundo, mas apresentam alguns riscos. É importante estar ciente desses riscos e tomar medidas para reduzi-los.

O impacto ambiental das baterias de íon-lítio

O que são baterias de íon de lítio?

As baterias de íon-lítio são a fonte de energia para muitos de nossos dispositivos do dia a dia, de telefones e laptops a carros elétricos. Eles são compostos de lítio, níquel e cobalto e são conhecidos por sua alta densidade de energia e longa vida útil.

Quais são os Impactos Ambientais?

A produção de baterias de íon-lítio pode ter um sério impacto ambiental, incluindo:

• A extração de lítio, níquel e cobalto pode ser perigosa para a vida aquática, levando à poluição da água e problemas respiratórios.
• Os subprodutos da mineração podem causar degradação do ecossistema e danos à paisagem.
• Consumo insustentável de água em regiões áridas.
• Geração maciça de subprodutos da extração de lítio.
• Potencial de aquecimento global da fabricação de baterias de íons de lítio.

O que podemos fazer?

Podemos ajudar a reduzir o impacto ambiental das baterias de íon-lítio:

• Reciclagem de baterias de íons de lítio para reduzir a pegada de carbono da produção.
• Reutilizar baterias em vez de reciclá-las.
• Armazenar baterias usadas com segurança para reduzir riscos.
• Usando métodos pirometalúrgicos e hidrometalúrgicos para separar os componentes da bateria.
• Escória de refino do processo de reciclagem para uso na indústria de cimento.

O impacto da extração de lítio nos direitos humanos

Perigos para a população local

A extração de matérias-primas para baterias de íon-lítio pode ser perigosa para as populações locais, especialmente os indígenas. O cobalto da República Democrática do Congo é frequentemente extraído com poucas precauções de segurança, levando a ferimentos e mortes. A poluição dessas minas expôs as pessoas a produtos químicos tóxicos que podem causar defeitos congênitos e dificuldades respiratórias. Também foi relatado que o trabalho infantil é usado nessas minas.

Falta de Consentimento Livre, Prévio e Informado

Um estudo na Argentina constatou que o Estado pode não ter protegido o direito dos povos indígenas ao consentimento livre, prévio e informado, e que as empresas de extração controlavam o acesso da comunidade à informação e definiam os termos para discussão dos projetos e repartição de benefícios.

Protestos e ações judiciais

O desenvolvimento da mina de lítio Thacker Pass em Nevada foi recebido com protestos e ações judiciais de várias tribos indígenas que dizem que não receberam consentimento prévio e informado e que o projeto ameaça locais culturais e sagrados. As pessoas também expressaram preocupação de que o projeto crie riscos para as mulheres indígenas. Os manifestantes ocupam o local desde janeiro de 2021.

O impacto da extração de lítio nos direitos humanos

Perigos para a população local

Extrair matérias-primas para baterias de íon-lítio pode ser uma verdadeira chatice para as populações locais, especialmente os indígenas. O cobalto da República Democrática do Congo é frequentemente extraído com poucas precauções de segurança, levando a ferimentos e mortes. A poluição dessas minas expôs as pessoas a produtos químicos tóxicos que podem causar defeitos congênitos e dificuldades respiratórias. Também foi relatado que o trabalho infantil é usado nessas minas. Caramba!

Falta de Consentimento Livre, Prévio e Informado

Um estudo na Argentina constatou que o Estado pode não ter dado aos povos indígenas o direito ao consentimento livre, prévio e informado, e que as empresas de extração controlavam o acesso da comunidade às informações e definiam os termos para discussão dos projetos e repartição de benefícios. Não é legal.

Protestos e ações judiciais

O desenvolvimento da mina de lítio Thacker Pass em Nevada foi recebido com protestos e ações judiciais de várias tribos indígenas que dizem que não receberam consentimento prévio e informado e que o projeto ameaça locais culturais e sagrados. As pessoas também expressaram preocupação de que o projeto crie riscos para as mulheres indígenas. Os manifestantes ocupam o local desde janeiro de 2021 e não parece que pretendem sair tão cedo.

Diferenças

Baterias Li-Ion Vs Lipo

Quando se trata de baterias Li-ion vs LiPo, é uma batalha de titãs. As baterias de íons de lítio são incrivelmente eficientes, armazenando uma tonelada de energia em um pacote minúsculo. Porém, eles podem ser instáveis ​​e perigosos se a barreira entre os eletrodos positivo e negativo for rompida. Por outro lado, as baterias de LiPo são muito mais seguras, pois não correm o mesmo risco de combustão. Elas também não sofrem do 'efeito memória' que as baterias de íon-lítio sofrem, o que significa que podem ser recarregadas mais vezes sem perder sua capacidade. Além disso, elas têm uma vida útil mais longa do que as baterias de íons de lítio, então você não precisa se preocupar em substituí-las com tanta frequência. Portanto, se você está procurando uma bateria segura, confiável e duradoura, a LiPo é o caminho certo!

Baterias de íon-lítio x chumbo-ácido

As baterias de chumbo-ácido são mais baratas do que as baterias de íon-lítio, mas não funcionam tão bem. As baterias de chumbo-ácido podem levar até 10 horas para carregar, enquanto as baterias de íon-lítio podem ser carregadas em apenas alguns minutos. Isso ocorre porque as baterias de íon de lítio podem aceitar uma taxa de corrente mais rápida, carregando mais rapidamente do que as baterias de chumbo-ácido. Então, se você está procurando uma bateria que carregue de forma rápida e eficiente, o íon de lítio é o caminho certo. Mas se você estiver com orçamento limitado, o chumbo-ácido é a opção mais acessível.

Perguntas frequentes

A bateria de íon de lítio é igual à de lítio?

Não, baterias de íons de lítio e baterias de lítio não são as mesmas! As baterias de lítio são células primárias, o que significa que não são recarregáveis. Então, uma vez que você os usa, eles terminam. Por outro lado, as baterias de íons de lítio são células secundárias, o que significa que podem ser recarregadas e usadas repetidamente. Além disso, as baterias de íons de lítio são mais caras e demoram mais para serem fabricadas do que as baterias de lítio. Então, se você está procurando uma bateria que pode ser recarregada, Li-ion é o caminho certo. Mas se você quer algo mais barato e que dure mais, o lítio é sua melhor aposta.

Você precisa de um carregador especial para baterias de lítio?

Não, você não precisa de um carregador especial para baterias de lítio! Com as baterias de lítio iTechworld, você não precisa atualizar todo o seu sistema de carregamento e gastar dinheiro extra. Tudo o que você precisa é do carregador de chumbo-ácido existente e pronto. Nossas baterias de lítio possuem um Sistema de gerenciamento de bateria (BMS) especial que garante que a bateria carregue corretamente com o carregador existente.
O único carregador que não recomendamos usar é aquele projetado para baterias de cálcio. Isso ocorre porque a entrada de tensão geralmente é maior do que a recomendada para baterias de lítio de ciclo profundo. Mas não se preocupe, se você acidentalmente usar um carregador de cálcio, o BMS detectará a alta tensão e entrará em modo de segurança, protegendo sua bateria de qualquer dano. Portanto, não gaste muito comprando um carregador especial - basta usar o existente e você estará pronto!

Quanto tempo dura a vida útil de uma bateria de íons de lítio?

As baterias de íon de lítio são a energia por trás de seus gadgets do dia a dia. mas quanto tempo eles duram? Bem, a bateria média de íons de lítio deve durar entre 300 e 500 ciclos de carga/descarga. É como carregar seu telefone uma vez por dia por mais de um ano! Além disso, você não precisa se preocupar com problemas de memória como costumava fazer. Apenas mantenha sua bateria carregada e fria e você estará pronto para ir. Então, se você cuidar bem dela, sua bateria de íons de lítio deve durar um bom tempo.

Qual é a principal desvantagem da bateria de íons de lítio?

A principal desvantagem das baterias de íons de lítio é o custo. Eles são cerca de 40% mais caros que o Ni-Cd; portanto, se você estiver com um orçamento limitado, pode procurar outro lugar. Além disso, eles são propensos ao envelhecimento, o que significa que podem perder capacidade e falhar após alguns anos. Ninguém tem tempo para isso! Então, se você vai investir em íons de lítio, certifique-se de fazer sua pesquisa e obter o melhor retorno para seu investimento.

Conclusão

Concluindo, as baterias de íons de lítio são uma tecnologia revolucionária que alimenta nossos dispositivos do dia a dia, de telefones celulares a veículos elétricos. Com o conhecimento certo, essas baterias podem ser usadas com segurança e eficiência, portanto, não tenha medo de mergulhar e explorar o mundo das baterias de íons de lítio!

Olá, sou Kim, mãe e entusiasta de stop-motion com experiência em criação de mídia e desenvolvimento web. Tenho uma paixão enorme por desenho e animação, e agora estou mergulhando de cabeça no mundo do stop-motion. Com meu blog, estou compartilhando meus aprendizados com vocês.