As baterias de íon-lítio (Li-ion) são amplamente utilizadas em diversos setores, como o automotivo, o de eletrônicos de consumo e o de armazenamento estacionário, o que levou ao desenvolvimento de diferentes tipos de baterias para atender a diversas necessidades. Essa diversidade exige requisitos de teste específicos e a compreensão do comportamento singular de cada tipo.
Este artigo discute as variações atuais e futuras previstas nas células de íon-lítio e suas implicações para testes, fornecendo conhecimento essencial para o projeto de laboratórios capazes de testar uma ampla gama de células de íon-lítio atuais e futuras.
Uma célula de 'íon-lítio' utiliza a intercalação de íons de lítio para armazenamento e transferência de energia.
Durante o carregamento, os íons de lítio movem-se do cátodo para o ânodo através do eletrólito e, durante a descarga, o processo inverso ocorre com os elétrons equilibrando a carga por meio de um circuito externo.
Um separador permite a transferência de íons, mas não de elétrons, forçando os elétrons a passarem pelo circuito externo. Coletores de corrente conectam os eletrodos a esse circuito.
Para um armazenamento de energia aprimorado, células maiores repetem essa combinação de componentes, apresentando múltiplas camadas em grandes áreas, formando um "rolo de geleia".
Figura 1: Ilustração dos componentes e do transporte de lítio/elétrons em uma célula de bateria de íon-lítio.
As células de íon-lítio são preferidas em muitos mercados devido à sua alta densidade de energia, capacidade de potência e longa vida útil. Seu design varia para atender às demandas de diferentes aplicações. Os critérios de design comuns para aplicações de armazenamento de energia incluem:
A importância desses critérios varia de acordo com a aplicação, sendo que o setor automotivo prioriza a densidade energética para a eficiência e autonomia do veículo.
As variações químicas no ânodo, cátodo e eletrólito, juntamente com aditivos, revestimentos e propriedade intelectual exclusivos, permitem aos fabricantes aprimorar o desempenho dos eletrodos e eletrólitos.
Os formatos das células, incluindo cilíndricas, prismáticas, em bolsa e em botão, também variam, cada uma oferecendo vantagens e desvantagens distintas.
Tanto a química quanto o design são meticulosamente ajustados para otimizar as características de desempenho.
A Figura 2 mostra uma visão geral das variações das células de íon-lítio.
Figura 2: Gama de designs e composições químicas de células de baterias de íon-lítio.
Figura 3: Variações na composição química do cátodo.
O eletrodo de alto potencial (cátodo) influencia significativamente as características da célula. Materiais catódicos importantes, como níquel-cobalto-alumínio (NCA) e níquel-cobalto-manganês (NCM), são preferidos em aplicações que valorizam o armazenamento de energia e a autonomia. Eles combinam alto potencial operacional com um equilíbrio entre energia, potência, durabilidade e custo. Cátodos de fosfato de ferro-lítio (LFP) são adequados para carregamento rápido, segurança e longa vida útil. Tradicionalmente, eles apresentam menor densidade de energia, mas avanços recentes estão aumentando sua competitividade.
Os atributos relativos do cátodo são mostrados na Figura 3.
A escolha do material do cátodo influencia o comportamento da célula de íon-lítio de diversas maneiras:
Figura 4: Variações na composição química do ânodo.
O ânodo, atuando como o componente de baixo potencial oposto ao cátodo, normalmente inclui principalmente grafite devido ao seu baixo potencial de operação, alta densidade de energia e custo acessível. Apesar de suas vantagens, o grafite facilita uma série de mecanismos de envelhecimento das células de íon-lítio. O óxido de lítio-titanato (LTO) oferece uma alternativa com maior vida útil, ao custo de menor tensão da célula e densidade de energia devido ao seu maior potencial anódico.
O silício está emergindo como uma opção promissora ou um complemento ao grafite, proporcionando maior densidade de energia. No entanto, o silício enfrenta desafios com as mudanças de volume durante a intercalação de lítio, o que pode levar à rápida degradação se não for gerenciado adequadamente.
Os atributos relativos do ânodo são mostrados na Figura 4.
A escolha do material do ânodo também influencia o comportamento da célula:
Os eletrólitos operam dentro de uma faixa de tensão específica, exigindo compatibilidade com os materiais dos eletrodos. Eles afetam significativamente a degradação e a segurança, influenciados por reações com os eletrodos e pela inflamabilidade. O LiPF6 é amplamente utilizado em células de íon-lítio, apesar de seus problemas de estabilidade e inflamabilidade, que podem causar fuga térmica ao gerar calor excessivo rapidamente. Muitos fabricantes melhoram a estabilidade do LiPF6 e reduzem o envelhecimento por meio de aditivos proprietários.
A escolha do eletrólito leva em consideração os seguintes aspectos:
Figura 5: Ilustração dos principais formatos de células: cilíndricas, prismáticas e em forma de bolsa.*
Os materiais das pilhas vêm em vários formatos, predominantemente cilíndricos, prismáticos e em forma de bolsa (Figura 5*). As pilhas tipo botão são uma opção normalmente reservada para aplicações de baixa potência, como aparelhos auditivos.
O formato e o tamanho das células podem influenciar o comportamento de diversas maneiras:
*Schröder, R., Glodde, A., Aydemir, M., & Bach, G. (2015). Processo para aumentar a produção de separadores dobrados em Z para a fabricação de baterias de íon-lítio. Applied Mechanics and Materials, 794, 19–26. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.794.19
A tecnologia de íons de lítio está avançando com melhorias nas tecnologias atuais, novos materiais de eletrodo e eletrólito e abordagens inovadoras que vão além da intercalação de lítio. As principais tendências emergentes incluem:
Nesta seção, serão apresentadas algumas das principais diferenças entre as células de baterias de íon-lítio para entender como isso pode afetar aspectos de um laboratório de células de baterias.
Figura 6: Componentes de um laboratório de testes de células de bateria.
A faixa de temperatura operacional das células de íon-lítio depende de sua composição química, o que influencia a escolha das câmaras térmicas e dos resfriadores necessários para testar todas as células para uma aplicação específica.
Figura 7: Seleção das faixas de temperatura das células da bateria de íon-lítio.
A faixa de tensão operacional das células de íon-lítio varia de acordo com a composição química do ânodo e do cátodo, influenciando a escolha do sistema de teste de células. É fundamental selecionar um ciclizador com uma faixa de tensão adequada para obter maior precisão e resolução, garantindo também a compatibilidade com todas as opções de células para uma determinada aplicação.
Figura 8: Seleção das faixas de tensão das células da bateria de íon-lítio.
Figura 9: Tensões de circuito aberto das células de íon-lítio com composições químicas comuns**
A tensão de circuito aberto (OCV) de uma célula de íon-lítio, influenciada por sua composição química, indica a diferença de potencial de repouso entre o cátodo e o ânodo em um determinado estado de carga (SoC). A OCV normalmente aumenta de forma não linear com o aumento do SoC.
Esse aumento varia de acordo com a composição química, especialmente em sua taxa de variação com o SoC. Cátodos de LFP e ânodos de LTO produzem curvas OCV-SoC mais planas em comparação com cátodos de NMC e ânodos de grafite. Capturar com precisão as curvas para essas composições químicas exige alta resolução e precisão de tensão.
Tecnologias futuras, como as células de bateria de lítio-enxofre e íon-sódio, com variações mínimas de tensão de circuito aberto (OCV) em determinados estados de carga (SoC), também exigirão medições de tensão precisas.
As células de íon-lítio variam significativamente em formato e tamanho, o que influencia a geração e dissipação de calor. Todas as células produzem calor devido à resistência à transferência de energia elétrica, seguindo a lei de Ohm. Células com maior resistência e capacidade de corrente geram mais calor. Esse aspecto é crucial para definir as capacidades da câmara térmica.
Para células maiores ou de alta corrente, pode ser necessário resfriamento ativo. Isso geralmente é feito por meio de resfriadores para circulação de fluido e conexão térmica durante os testes. A relação volume/área superficial de células maiores pode causar acúmulo de calor interno. Isso representa desafios para um resfriamento eficaz e para a estimativa da temperatura. O resfriamento terminal às vezes oferece um método de resfriamento mais eficaz. O formato da célula também determina o dispositivo de teste para uma interação térmica ideal com o sistema de resfriamento.
Além disso, dependendo do formato e da composição química da célula, o controle de pressão e o uso de invólucro externo podem ser necessários, especialmente para células tipo pouch para evitar o inchaço e para composições químicas como as que utilizam eletrólitos sólidos ou ânodos de silício, que exigem pressões específicas ou variações de volume. Isso pode orientar o projeto da configuração de teste e exigir a medição da pressão.
Todas as células de baterias de íon-lítio podem sofrer fuga térmica, sendo que a probabilidade, o limite de temperatura, as temperaturas máximas e as emissões de gases variam de acordo com a composição química e o projeto. Células maiores, que armazenam mais energia térmica, representam um risco maior e emitem mais gases durante a fuga térmica. Essas considerações são cruciais para a segurança em laboratório e para a escolha das câmaras de teste, visto que células maiores exigem câmaras equipadas com recursos de segurança aprimorados e melhor gerenciamento de calor e emissões.
Figura 10: Comportamento de fuga térmica com química***
Projetar um laboratório ideal para os requisitos de teste e aplicação pretendidos, e ao mesmo tempo versátil o suficiente para a gama de células de bateria possíveis, é um desafio. Para um projeto eficaz, são necessários diversos dados, cálculos e consultoria.
Temos experiência em testes, modelagem e compreensão de células de baterias de íon-lítio, além de vasta experiência em projetos de laboratório. Combinando essas duas áreas de especialização, podemos auxiliar no desenvolvimento de um laboratório adequado às suas necessidades.
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