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Existem diferentes tipos de baterias de lítio íon. Lítio íon é o nome genérico para os materiais ativos dessas baterias.
Para se referir aos diversos tipos de baterias de lítio íon usam-se os símbolos dos elementos químicos ou então abreviaturas mnemônicas.
Por exemplo, o óxido de lítio cobalto, usado nas baterias lítio íon mais comuns, tem os símbolos químicos LiCoO2 e a abreviatura LCO.
Por razões de simplicidade, a forma curta li-cobalto também pode ser usada para esta bateria. Cobalto é o principal material ativo desta bateria. Outras químicas de lítio íon são nomeadas de maneira semelhante.
Os diversos tipos de baterias de lítio íon diferem entre si principalmente pelos materiais usados na fabricação dos eletrodos positivo e negativo.
No mercado existem vários tipos de eletrodos positivo e negativo cujas principais características mostramos a seguir.
Pesquisas continuam sendo feitas no sentido de se buscar novos materiais para os eletrodos das baterias de lítio íon para se conseguir melhor desempenho, principalmente nas aplicações críticas como veículo elétricos, que exigem das baterias grande capacidade e potência, além de segurança, longevidade e custo acessível.
Figura 1 – Tipos de baterias de lítio íon
PRINCIPAIS TIPOS DE ELETRODOS POSITIVOS
- Óxido de cobalto de lítio (LiCoO2)
Desenvolvida pela Sony em 1991, a bateria de óxido de cobalto de lítio foi a bateria escolhida para a maioria dos eletrônicos pessoais (laptops, câmeras, tabletes, etc.) devido à sua alta densidade de energia, longa vida útil e facilidade de fabricação.
As baterias de cobalto e lítio são muito reativas. Sofrem de baixa estabilidade térmica e devem ser monitoradas durante a operação para garantir o uso seguro, através do uso de uma placa PCM.
A disponibilidade limitada de cobalto também torna esse material mais caro e difícil ser uma opção viável para uso em veículos elétricos.
- Óxido de níquel e lítio (LiNiO2)
O LiNiO2 foi reconhecido como um material promissor para baterias de alta tensão, porque é um material de custo mais baixo e possui uma alta capacidade teórica de 250 Ah/kg.
No entanto, dificuldades com seu uso, principalmente a formação de uma camada de auto passivação nas superfícies, causaram dificuldades com seu uso. Como o LiNiO2 requer muito cuidado na fabricação e é um material de eletrodo um pouco menos prático, soluções sólidas desse material com Co, Fe, Mn, Al, Ti e OMg foram desenvolvidos, a partir do qual a atual bateria NMC foi desenvolvida.
- Óxido de manganês e lítio (LiMn2O4)
As baterias de óxido de manganês de lítio (LMO) foram introduzidas pela primeira vez no início dos anos 80, embora demorassem quase 15 anos para serem comercializadas. A arquitetura forma uma estrutura de espinélio tridimensional que melhora o fluxo de íons no eletrodo, o que resulta em menor resistência interna e melhor manuseio da corrente.
A baixa resistência interna da célula permite carregamento rápido e descarga de alta corrente. O li-manganês pode ser descarregado em correntes de 20 a 30 A com acúmulo moderado de calor em uma bateria cilíndrica de lítio íon tamanho 18650 (18 x 65 mm).
Essa química fornece melhor estabilidade térmica do que a bateria de óxido de cobalto e lítio, mas resulta em aproximadamente 33% de capacidade menor e menor tempo de vida. A maioria das baterias de lítio-manganês se mistura ao óxido de lítio-manganês-cobalto (NMC) para melhorar a energia específica e prolongar a vida útil.
- Fosfato de ferro e lítio (LiFePO4)
Em 1996, pesquisadores da Universidade do Texas em Austin descobriram que materiais de fosfato poderiam ser usados ??em eletrodos positivos para baterias de íons de lítio. O LiFePO4 (LFP) oferece bom desempenho eletroquímico com baixa resistência, além de alta capacidade de corrente e longo ciclo de vida.
O fosfato ajuda a estabilizar o eletrodo contra sobrecarga e fornece uma maior tolerância ao calor, o que limita a quebra do material.
Essas baterias possuem uma ampla faixa de temperatura e podem operar entre +60°C a -30°C e são muito menos propensas a sofrer uma fuga térmica.
O LiFePO4 possui uma auto descarga maior do que outras baterias de íon de lítio, o que pode causar problemas de equilíbrio com o envelhecimento.Com as eficientes relações potência / peso, recursos de alta segurança e resistência química a fugas térmicas, as baterias LiFePO4 estão conquistando popularidade.
- Óxido de cobalto, manganês, níquel e lítio
Eletrodos de óxido de cobalto, manganês, níquel e lítio (NMC) podem ser projetados para alta energia ou potência específica com alta densidade.
O segredo da NMC está na combinação de níquel e manganês: o níquel é conhecido por sua alta energia específica, mas baixa estabilidade; o manganês tem o benefício de formar uma estrutura de espinélio para obter baixa resistência interna, mas oferece uma baixa energia específica.
A mistura dos vários metais (níquel e manganês) varia de acordo com o fabricante e é uma fórmula muito bem guardada.
Os pesquisadores estão usando eletrodos ricos em níquel para aumentar a densidade de energia, enquanto a redução no cobalto também é útil, pois diminui os custos.
A combinação de níquel e manganês aprimora os pontos fortes um do outro, tornando o NMC o sistema de íons de lítio mais bem-sucedido e adequado para veículos elétricos.
Atualmente, essas baterias estão em alta demanda, devido à alta energia específica e às excelentes características térmicas.
- Óxido de alumínio, níquel, cobalto e lítio
O óxido de alumínio e níquel e cobalto (NCA) existe desde 1999 para aplicações especiais. Ele compartilha semelhanças com a NMC, oferecendo alta energia específica e potência específica (a taxa na qual a bateria pode fornecer energia) e uma vida útil longa. A NCA não é tão segura quanto as outras listadas acima e, como tal, exige que medidas especiais de monitoramento de segurança sejam empregadas para uso em veículos elétricos.
PRINCIPAIS TIPOS DE ELETRODOS NEGATIVOS
Dois tipos principais de eletrodos negativos em uso incluem titanato de lítio e eletrodos à base de carbono, e novos tipos de eletrodos em desenvolvimento incluem metal de lítio e ligas de metal e lítio com foco especial em ligas de lítio-silício e eletrodos de conversão.
- Eletrodos à base de carbono
O carbono e geralmente grafite sintética, ainda permanecem os materiais ativos mais escolhidos para o eletrodo negativo, devido à sua capacidade específica relativamente alta de 370 Ah/kg, baixa tensão média e uma tensão relativamente plana, gerando uma alta tensão global da célula e alta eficiência energética de carga e descarga.
Além disso, por ser um material muito abundante, de baixo custo e não tóxico é uma escolha particularmente boa de eletrodo e, por isso, muito utilizado.
Infelizmente, em algumas condições específicas, o carbono pode reagir com o oxigênio atmosférico e pode provocar a fuga térmica e pegar fogo.
- Titanato de lítio (Li4Ti5O12)
Baterias com eletrodos negativos de titânio de lítio são conhecidas desde os anos 80. O titanato de lítio (LTO) substitui o grafite no eletrodo negativo de uma bateria típica de íons de lítio. O eletrodo positivo pode ser óxido de manganês e lítio ou NMC. O titanato de lítio leva a uma vida útil operacional extremamente longa para o eletrodo, juntamente com a segurança aprimorada devido a um platô de descarga e carga extremamente plana. Devido ao seu alto nível de segurança, as baterias de titanato de lítio são usadas em dispositivos médicos móveis.
A combinação dos eletrodos positivos e negativos que acabamos de descrever permite a fabricação de diversos tipos de baterias de lítio íon recarregável.