Desenvolvimento e Estrutura das Baterias de Lítio

A bateria de lítio é um novo tipo de bateria de alta energia desenvolvida com sucesso no século XX. Com a proposta de "neutralidade carbónica" e "pico de carbono", a bateria de lítio tornou-se o foco de atenção de todos os setores. Hoje, a CHNL irá guiá-lo para compreender o desenvolvimento e a estrutura da bateria de lítio.

Introdução às Baterias de Lítio

As baterias de lítio podem ser entendidas como baterias que contêm elementos de lítio (incluindo lítio metálico, ligas de lítio, iões de lítio, polímeros de lítio), e podem ser divididas em baterias de lítio metálico (muito raramente produzidas e usadas) e baterias de iões de lítio (muito utilizadas atualmente). Devido à sua alta energia específica, alta voltagem da bateria, ampla faixa de temperatura de funcionamento e longa vida útil de armazenamento, têm sido amplamente usadas em pequenos aparelhos elétricos militares e civis, como telemóveis, computadores portáteis, câmaras de vídeo, câmaras fotográficas, etc., substituindo parcialmente as baterias tradicionais.

A origem e desenvolvimento das baterias de lítio

Na década de 1970, M.S. Whittingham da Exxon usou dissulfeto de titânio como material do eletrodo positivo e lítio metálico como material do eletrodo negativo para fabricar a primeira bateria de lítio.
Em 1980, J. Goodenough descobriu que o óxido de cobalto de lítio poderia ser usado como material catódico para baterias de lítio.

Em 1982, R.R. Agarwal e J.R. Selman do Illinois Institute of Technology descobriram que os iões de lítio têm a característica de intercalar grafite, e este processo é rápido e reversível. Ao mesmo tempo, os riscos de segurança das baterias de lítio feitas de lítio metálico atraíram muita atenção. Por isso, tentou-se usar as características dos iões de lítio embutidos no grafite para fabricar baterias recarregáveis. O primeiro eletrodo de grafite de iões de lítio utilizável foi produzido experimentalmente com sucesso nos Bell Laboratories.

Em 1983, M. Thackeray, J. Goodenough e outros descobriram que o espinélio de manganês é um excelente material catódico, com baixo preço, estabilidade e excelente condutividade e condutividade de lítio. A sua temperatura de decomposição é alta, e a sua propriedade oxidante é muito inferior à do óxido de cobalto de lítio. Mesmo em caso de curto-circuito ou sobrecarga, pode evitar o perigo de incêndio e explosão.
Em 1991, a Sony lançou a primeira bateria comercial de lítio. Subsequentemente, as baterias de lítio revolucionaram o panorama da eletrónica de consumo.

Em 1996, Padhi e Goodenough descobriram que os fosfatos com estrutura olivina, como o fosfato de ferro de lítio (LiFePO4), são superiores aos materiais catódicos tradicionais, tornando-se assim os materiais catódicos predominantes atualmente.
As baterias de lítio (Li-ion Batteries) são desenvolvidas a partir das baterias de lítio. Portanto, antes de apresentar as Li-ion, vamos primeiro introduzir as baterias de lítio. Por exemplo, uma bateria de célula botão é uma bateria de lítio. O material do eletrodo positivo da bateria de lítio é dióxido de manganês ou cloreto de tionilo, e o eletrodo negativo é lítio. Após a montagem da bateria, esta tem voltagem e não necessita de ser carregada. Este tipo de bateria também pode ser carregado, mas o desempenho do ciclo não é bom. Durante o ciclo de carga e descarga, é fácil formar dendritos de lítio, resultando num curto-circuito interno da bateria, pelo que, em geral, este tipo de bateria é proibido de ser carregado.

Mais tarde, a Sony Corporation do Japão inventou uma bateria de lítio com material de carbono como eletrodo negativo e um composto contendo lítio como eletrodo positivo. Durante o processo de carga e descarga, não há lítio metálico, apenas iões de lítio. Esta é uma bateria de iões de lítio.
No início da década de 1990, a Sony Energy Development Corporation do Japão e a Moli Energy Corporation do Canadá desenvolveram com sucesso novas baterias de iões de lítio, que não só têm bom desempenho, como também não poluem o ambiente. Com o rápido desenvolvimento da tecnologia da informação, maquinaria portátil e veículos elétricos, a procura por fontes de energia de alta eficiência cresceu rapidamente, e as baterias de lítio tornaram-se um dos campos de crescimento mais rápido.

A estrutura da bateria de lítio

Os principais componentes das baterias de lítio:
(1) Eletrodo positivo - os materiais ativos referem-se principalmente a óxido de cobalto de lítio, manganato de lítio, fosfato de ferro de lítio, niquelato de lítio, manganato de níquel cobalto de lítio, etc. O coletor de corrente condutor geralmente usa folha de alumínio com espessura de 10 a 20 microns;
(2) Diafragma - uma película plástica especial que permite a passagem de iões de lítio, mas é um isolante elétrico. Atualmente, existem principalmente PE e PP e as suas combinações. Existe também um tipo de diafragma sólido inorgânico, como o revestimento de diafragma de alumina, que é um tipo de diafragma sólido inorgânico;

(3) Eletrodo negativo - o material ativo refere-se principalmente a grafite, titanato de lítio, ou material de carbono com estrutura semelhante à grafite, e o coletor de corrente condutor geralmente usa folha de cobre com espessura de 7 a 15 microns;
(4) Eletrólito - geralmente um sistema orgânico, como um solvente de carbonato dissolvido com hexafluorofosfato de lítio, e algumas baterias poliméricas usam eletrólito em gel;
(5) Caixa da bateria - dividida principalmente em dois tipos: caixa rígida (caixa de aço, caixa de alumínio, caixa de ferro niquelado, etc.) e caixa flexível (filme alumínio-plástico).

Quando a bateria é carregada, os iões de lítio são desintercalados do eletrodo positivo e intercalados no eletrodo negativo, e vice-versa durante a descarga. Isto requer que um eletrodo esteja num estado de intercalamento de lítio antes da montagem. Geralmente, seleciona-se um óxido metálico de transição com intercalamento de lítio, com potencial superior a 3V relativamente ao lítio e estável no ar, como LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4, para o eletrodo positivo.
Como material do eletrodo negativo, seleciona-se um composto de lítio intercalável com potencial o mais próximo possível do potencial do lítio, como vários materiais de carbono incluindo grafite natural, grafite sintético, fibra de carbono, carbono esférico mesofásico, etc., e óxidos metálicos, incluindo SnO, SnO2, óxido composto de estanho SnBxPyOz (x=0.4～0.6, y=0.6～0.4, z=(2+3x+5y)/2), etc.
O eletrólito utiliza um sistema de solvente misto de LiPF6, carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC) e carbonato de dietilo (DEC) de baixa viscosidade, entre outros carbonatos de alquilo.

O diafragma utiliza filme microporoso de poliolefina como PE, PP ou o seu filme composto, especialmente o diafragma triplo PP/PE/PP que não só tem baixo ponto de fusão, como também alta resistência à perfuração, desempenhando um papel de seguro térmico.
A carcaça é feita de aço ou alumínio, e a montagem da tampa tem função de proteção contra explosão e corte de energia.
Bem, o acima é tudo sobre baterias de lítio hoje. Desde o nascimento das baterias de lítio em 1970, estas desenvolveram-se rapidamente. As baterias de lítio penetraram em todos os aspetos das nossas vidas, e ainda têm enormes perspetivas de desenvolvimento no futuro.
Espero que o conteúdo acima seja útil para si, mais informações serão continuamente atualizadas, até à próxima edição.