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 utilizadas em pequenos aparelhos eléctricos 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 dissulfureto de titânio como material do eléctrodo positivo e lítio metálico como material do eléctrodo 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 do cátodo 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, tentaram usar as características dos iões de lítio embutidos na grafite para fabricar baterias recarregáveis. O primeiro eléctrodo 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 para cátodo, 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 de lítio comercial. Subsequentemente, as baterias de lítio revolucionaram o panorama da electrónica 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 tradicionais para cátodo, tornando-se assim os materiais principais para cátodos atualmente.
As baterias de lítio (Baterias Li-ion) 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 eléctrodo positivo da bateria de lítio é dióxido de manganês ou cloreto de tionilo, e o eléctrodo negativo é lítio. Depois de montada, a bateria tem voltagem e não precisa 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 dendrites 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 eléctrodo negativo e um composto contendo lítio como eléctrodo 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 eléctricos, a procura por fontes de energia eficientes 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) Eléctrodo positivo - os materiais activos 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 colector 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 isolante eléctrico. 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) Eléctrodo negativo - o material activo refere-se principalmente a grafite, titanato de lítio, ou material de carbono com estrutura semelhante à grafite, e o colector de corrente condutor geralmente usa folha de cobre com espessura de 7 a 15 microns;
(4) Electrólito - geralmente um sistema orgânico, como um solvente de carbonato dissolvido com hexafluorofosfato de lítio, e algumas baterias poliméricas usam electrólito 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 eléctrodo positivo e intercalados no eléctrodo negativo, e vice-versa durante a descarga. Isto requer que um eléctrodo esteja num estado de intercalamento de lítio antes da montagem. Geralmente, selecciona-se um óxido metálico de transição com intercalamento de lítio com potencial superior a 3V relativamente ao lítio e estável no ar como eléctrodo positivo, como LiCoO2, LiNiO2, LiMn2O4.
Como material do eléctrodo negativo, selecciona-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 electrólito adopta um sistema de solvente misto de LiPF6 carbonato de etileno (EC), carbonato de propileno (PC) e carbonato de dietilo (DEC) de baixa viscosidade e outros carbonatos alquilados.

O diafragma adopta película microporosa de poliolefina como PE, PP ou a sua película composta, 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 à prova de 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 aspectos das nossas vidas, e ainda há enormes perspetivas de desenvolvimento no futuro.
Espero que o conteúdo acima seja útil para si, mais informações serão continuamente actualizadas, até à próxima edição.