O que são baterias de íon de lítio

1 O que são baterias de íon de lítio？

Uma bateria é uma fonte de energia elétrica que consiste em uma ou mais células eletroquímicas com conexões externas para alimentar dispositivos elétricos. Uma bateria de íon de lítio ou íon de lítio é um tipo de bateria recarregável que utiliza a redução reversível de íons de lítio para armazenar energia e é famosa por sua alta densidade de energia.

2 A estrutura das baterias de íon de lítio

Geralmente, a maioria das baterias comerciais de íons de lítio usa compostos de intercalação como materiais ativos. Eles normalmente consistem em várias camadas de materiais dispostas em uma ordem específica para facilitar o processo eletroquímico que permite à bateria armazenar e liberar energia – ânodo, cátodo, eletrólito, separador e coletor de corrente.

O que é ânodo?

Como componente da bateria, o ânodo desempenha um papel importante na capacidade, desempenho e durabilidade da bateria. Durante o carregamento, o ânodo de grafite é responsável por receber e armazenar íons de lítio. Quando a bateria está descarregada, os íons de lítio se movem do ânodo para o cátodo, criando uma corrente elétrica. Geralmente, o ânodo mais comum usado comercialmente é o grafite, que em seu estado totalmente litiado de LiC6 se correlaciona com uma capacidade máxima de 1339 C/g (372 mAh/g) Mas com o desenvolvimento de tecnologias, novos materiais como o silício têm sido pesquisados ​​para melhorar as densidades de energia das baterias de íon-lítio.

O que é cátodo?

O cátodo funciona para aceitar e liberar íons de lítio com carga positiva durante os ciclos atuais. Geralmente consiste em uma estrutura em camadas de um óxido em camadas (como o óxido de lítio-cobalto), um poliânion (como o fosfato de ferro-lítio) ou um espinélio (como o óxido de lítio-manganês) revestido em um coletor de carga (geralmente feito de alumínio). 

O que é eletrólito?

Como um sal de lítio em um solvente orgânico, o eletrólito serve como meio para os íons de lítio se moverem entre o ânodo e o cátodo durante a carga e a descarga.

O que é separador?

Como uma membrana fina ou camada de material não condutor, o separador funciona para evitar o curto-circuito do ânodo (eletrodo negativo) e do cátodo (eletrodo positivo), uma vez que essa camada é permeável aos íons de lítio, mas não aos elétrons. Também pode garantir o fluxo constante de íons entre os eletrodos durante a carga e descarga. Portanto, a bateria pode manter uma tensão estável e reduzir o risco de superaquecimento, combustão ou explosão.

O que é o coletor atual?

O coletor de corrente foi projetado para coletar a corrente produzida pelos eletrodos da bateria e transportá-la para o circuito externo, o que é importante para garantir o desempenho ideal e a longevidade da bateria. E geralmente é feito de uma folha fina de alumínio ou cobre.

3 A história do desenvolvimento das baterias de íon de lítio

A pesquisa sobre baterias recarregáveis ​​de íons de lítio data da década de 1960, um dos primeiros exemplos é uma bateria CuF2/Li desenvolvida pela NASA em 1965 E a crise do petróleo atingiu o mundo na década de 1970, os investigadores voltaram a sua atenção para fontes alternativas de energia, de modo que a descoberta que produziu a forma mais antiga da moderna bateria de iões de lítio foi feita devido ao peso leve e à elevada densidade energética das baterias de iões de lítio. Ao mesmo tempo, Stanley Whittingham, da Exxon, descobriu que íons de lítio poderiam ser inseridos em materiais como o TiS2 para criar uma bateria recarregável. 

Então ele tentou comercializar essa bateria, mas não conseguiu devido ao alto custo e à presença de lítio metálico nas células. Em 1980, descobriu-se que um novo material oferecia uma voltagem mais alta e era muito mais estável no ar, que mais tarde seria usado na primeira bateria comercial de íons de lítio, embora não tenha resolvido, por si só, o persistente problema de inflamabilidade. no mesmo ano, Rachid Yazami inventou o eletrodo (ânodo) de grafite de lítio. E então, em 1991, as primeiras baterias recarregáveis ​​de íons de lítio do mundo começaram a entrar no mercado. Na década de 2000, a demanda por baterias de íons de lítio aumentou à medida que os dispositivos eletrônicos portáteis se tornaram populares, o que torna as baterias de íons de lítio mais seguras e duráveis. Os veículos elétricos foram introduzidos na década de 2010, o que criou um novo mercado para baterias de íons de lítio 

O desenvolvimento de novos processos e materiais de fabricação, como ânodos de silício e eletrólitos de estado sólido, continuou a melhorar o desempenho e a segurança das baterias de íon-lítio. Hoje em dia, as baterias de iões de lítio tornaram-se essenciais no nosso quotidiano, pelo que a investigação e o desenvolvimento de novos materiais e tecnologias são contínuos para melhorar o desempenho, a eficiência e a segurança destas baterias.

4.Os tipos de baterias de íon de lítio

As baterias de íon de lítio vêm em uma variedade de formatos e tamanhos, e nem todas são iguais. Normalmente existem cinco tipos de baterias de íon de lítio.

l Óxido de Lítio-Cobalto

As baterias de óxido de lítio-cobalto são fabricadas a partir de carbonato de lítio e cobalto e também são conhecidas como baterias de cobalto de lítio ou baterias de íon-lítio-cobalto. Eles têm um cátodo de óxido de cobalto e um ânodo de carbono de grafite, e os íons de lítio migram do ânodo para o cátodo durante a descarga, com o fluxo invertendo quando a bateria é carregada. Quanto à sua aplicação, são utilizados em dispositivos eletrônicos portáteis, veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia renovável devido à sua alta energia específica, baixa taxa de autodescarga, alta tensão operacional e ampla faixa de temperatura. ao potencial de fuga térmica e instabilidade em altas temperaturas.

l Óxido de lítio-manganês

O óxido de lítio-manganês (LiMn2O4) é um material catódico comumente usado em baterias de íon-lítio. A tecnologia para esse tipo de bateria foi descoberta inicialmente na década de 1980, com a primeira publicação no Materials Research Bulletin em 1983. Uma das vantagens do LiMn2O4 é que ele possui boa estabilidade térmica, o que significa que é menos provável que ocorra fuga térmica, que também é mais segura do que outros tipos de baterias de íons de lítio. Além disso, o manganês é abundante e amplamente disponível, o que o torna uma opção mais sustentável em comparação com materiais catódicos que contêm recursos limitados, como o cobalto. Como resultado, são frequentemente encontrados em equipamentos e dispositivos médicos, ferramentas elétricas, motocicletas elétricas e outras aplicações. Apesar das suas vantagens, o LiMn2O4 apresenta menor estabilidade de ciclagem em comparação com o LiCoO2, o que significa que pode exigir substituição mais frequente, pelo que pode não ser tão adequado para sistemas de armazenamento de energia a longo prazo.

l Fosfato de ferro-lítio (LFP)

O fosfato é usado como cátodo em baterias de fosfato de ferro-lítio, geralmente conhecidas como baterias de fosfato de lítio. Sua baixa resistência melhora sua estabilidade térmica e segurança Elas também são famosas por sua durabilidade e longo ciclo de vida, o que as torna a opção mais econômica para outros tipos de baterias de íons de lítio. Consequentemente, estas baterias são frequentemente utilizadas em bicicletas elétricas e outras aplicações que requerem um longo ciclo de vida e elevados níveis de segurança. Mas as suas desvantagens dificultam o seu rápido desenvolvimento. Em primeiro lugar, em comparação com outros tipos de baterias de iões de lítio, elas custam mais porque utilizam matérias-primas raras e caras. Além disso, as baterias de fosfato de ferro-lítio têm uma tensão operacional mais baixa, o que significa que podem não ser adequadas para algumas aplicações que requerem uma tensão mais alta. Seu maior tempo de carregamento o torna uma desvantagem em aplicações que exigem recarga rápida.

l Óxido de cobalto de manganês de lítio-níquel (NMC)

As baterias de lítio-níquel-manganês-óxido de cobalto, também conhecidas como baterias NMC, são construídas com uma variedade de materiais que são universais em baterias de íon-lítio. Um cátodo construído com uma mistura de níquel, manganês e cobalto está incluído A sua elevada densidade energética, bom desempenho de ciclismo e longa vida útil tornaram-no na primeira escolha em veículos eléctricos, sistemas de armazenamento de rede e outras aplicações de alto desempenho, o que contribuiu ainda mais para a crescente popularidade dos veículos eléctricos e dos sistemas de energia renovável. Para aumentar a capacidade, novos eletrólitos e aditivos são usados ​​para permitir o carregamento de 4,4V/célula e superior. Há uma tendência para íons de lítio misturados com NMC, uma vez que o sistema é econômico e oferece bom desempenho. Níquel, manganês e cobalto são três materiais ativos que podem ser facilmente combinados para atender a uma ampla gama de aplicações automotivas e de sistemas de armazenamento de energia (EES) que exigem ciclos frequentes.

 Pelo que podemos ver, a família NMC está se tornando mais diversificada

No entanto, os seus efeitos secundários de fuga térmica, riscos de incêndio e preocupações ambientais podem dificultar o seu desenvolvimento futuro.

l Titanato de Lítio

O titanato de lítio, também conhecido como titanato de lítio, é um tipo de bateria que tem um número crescente de utilizações. Devido à sua nanotecnologia superior, é capaz de carregar e descarregar rapidamente enquanto mantém uma tensão estável, o que o torna adequado para aplicações de alta potência, como veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia comercial e industrial e armazenamento em nível de rede. Juntamente com a sua segurança e fiabilidade, estas baterias poderiam ser utilizadas para aplicações militares e aeroespaciais, bem como para armazenar energia eólica e solar e construir redes inteligentes. Além disso, de acordo com a Battery Space, essas baterias poderiam ser empregadas em backups críticos do sistema de energia. No entanto, as baterias de titanato de lítio tendem a ser mais caras do que as baterias tradicionais de íons de lítio devido ao complexo processo de fabricação necessário para produzi-las.

5.As tendências de desenvolvimento de baterias de íon de lítio

O crescimento global das instalações de energia renovável aumentou a produção intermitente de energia, criando uma rede desequilibrada. Isto levou a uma procura por baterias, enquanto o foco nas emissões zero de carbono e a necessidade de se afastar dos combustíveis fósseis, nomeadamente o carvão, para a produção de energia levam mais governos a incentivar instalações de energia solar e eólica. Estas instalações prestam-se a sistemas de armazenamento de baterias que armazenam o excesso de energia gerada. Portanto, os incentivos governamentais para incentivar as instalações de baterias de iões de lítio também impulsionam o desenvolvimento de baterias de iões de lítio. Por exemplo, o tamanho do mercado global de baterias de íons de lítio NMC deve crescer de US$ milhões em 2022 para US$ milhões em 2029; espera-se que cresça a um CAGR de% de 2023 a 2029  E as necessidades crescentes de aplicações que exigem cargas pesadas deverão tornar as baterias de íon de lítio de 3.000 a 10.000 o segmento de crescimento mais rápido durante o período de previsão (2022-2030).

6 A análise de investimento em baterias de íon de lítio

A indústria do mercado de baterias de íon de lítio deve crescer de US$ 51,16 bilhões em 2022 para US$ 118,15 bilhões até 2030, exibindo uma taxa composta de crescimento anual de 4,72% durante o período de previsão (2022-2030), que depende de vários fatores.

l Análise do usuário final

As instalações do setor de serviços públicos são os principais impulsionadores dos sistemas de armazenamento de energia de baterias (BESS). Espera-se que este segmento cresça de US$ 2,25 bilhões em 2021 para US$ 5,99 bilhões em 2030, com um CAGR de 11,5%.  As baterias de íon-lítio apresentam um CAGR maior de 34,4% devido à sua baixa base de crescimento. Os segmentos de armazenamento de energia residencial e comercial são outras áreas com grande potencial de mercado de US$ 5,51 bilhões em 2030, contra US$ 1,68 bilhão em 2021. O sector industrial continua a sua marcha em direcção a zero emissões de carbono, com as empresas a assumirem compromissos de zero emissões líquidas nas próximas duas décadas. As empresas de telecomunicações e de centros de dados estão na vanguarda da redução das emissões de carbono, com um foco crescente em fontes de energia renováveis Tudo isso promoverá o rápido desenvolvimento de  baterias de íon de lítio à medida que as empresas encontram maneiras de garantir backup confiável e equilíbrio da rede.

l Análise do tipo de produto

Devido ao alto preço do cobalto, a bateria sem cobalto é uma das tendências de desenvolvimento das baterias de íon-lítio. LiNi0.5Mn1.5O4 de alta tensão (LNMO) com alta densidade de energia teórica é um dos materiais catódicos livres de Co mais promissores no futuro. Além disso, os resultados experimentais provaram que o desempenho do ciclo e da taxa C da bateria LNMO é melhorado com o uso do eletrólito semissólido. Pode-se propor que o COF aniônico é capaz de absorver fortemente o Mn3+/Mn2+ e Ni2+ através da interação Coulomb, restringindo sua migração destrutiva para o ânodo. Portanto, este trabalho será benéfico para a comercialização de material catódico LNMO.

lAnálise Regional

A Ásia-Pacífico será o maior mercado de baterias estacionárias de íons de lítio até 2030, impulsionado por serviços públicos e indústrias. Ultrapassará a América do Norte e a Europa com um mercado de US$ 7,07 bilhões em 2030, crescendo de US$ 1,24 bilhão em 2021 com um CAGR de 21,3%. A América do Norte e a Europa serão os próximos maiores mercados devido aos seus objetivos de descarbonizar as suas economias e redes nas próximas duas décadas. A LATAM verá a maior taxa de crescimento com um CAGR de 21,4% devido ao seu tamanho menor e base baixa.

7 Coisas a considerar para baterias de íon de lítio de alta qualidade

Na hora de comprar um inversor solar óptico, não só o preço e a qualidade devem ser considerados, mas também outros fatores devem ser levados em consideração.

l Densidade de Energia

A densidade de energia é a quantidade de energia armazenada por unidade de volume. Maior densidade de energia com menos peso e tamanho é mais extensa entre os ciclos de carregamento.

eu  Segurança

A segurança é outro aspecto crítico das baterias de íon-lítio, visto que explosões e incêndios podem ocorrer durante a carga ou descarga, por isso é necessário escolher baterias com mecanismos de segurança aprimorados, como sensores de temperatura e substâncias inibidoras.

eu Digite

Uma das últimas tendências na indústria de baterias de íons de lítio é o desenvolvimento de baterias de estado sólido, que oferecem uma série de benefícios, como maior densidade de energia e maior ciclo de vida. Por exemplo, a utilização de baterias de estado sólido em carros elétricos aumentará significativamente a sua capacidade de autonomia e segurança.

l Taxa de carregamento

A taxa de carregamento depende da rapidez com que a bateria é carregada com segurança. Às vezes, a bateria demora muito para carregar antes de poder ser usada.

eu Vida útil

 Nenhuma bateria dura toda a vida, mas tem uma data de validade. Verifique o prazo de validade antes de efetuar a compra. As baterias de íon de lítio têm uma vida inerente mais longa devido à sua química, mas cada bateria difere uma da outra dependendo do tipo, das especificações e da forma como são fabricadas. Baterias de alta qualidade durarão mais, pois são feitas de materiais finos em seu interior.