Visão geral
Desde a invenção e comercialização de baterias na década de 1970, As baterias de íons de lítio evoluíram do fornecimento de energia para dispositivos pequenos e eletrônicos para o fornecimento de eletricidade a caminhões com peso até 60 toneladas, tornando o mercado maduro e importante.
As políticas e negócios dos governos em todo o mundo estão promovendo o seu desenvolvimento, fabricando baterias de íon de lítio (também conhecidas como baterias de íon de lítio) não só fornecem menos emissões do que os geradores que utilizam energia não renovável, mas também vêm com custos mais baixos e mais opções de energia.
Depois de décadas de testes, várias configurações eletroquímicas surgiram, cada um com suas características únicas e vantagens de atributos, adequado para produtos em diferentes indústrias.
Neste artigo, seis tipos diferentes de química de bateria de íon de lítio serão introduzidos, que acredito que será útil para você.
1.Quais são os tipos de baterias existentes em sistemas de painéis solares?
Ao discutir sistemas de painéis solares, os principais tipos de baterias no mercado são baterias de chumbo-ácido e baterias de íon-lítio. O primeiro tem um preço relativamente baixo, mas um volume maior e uma vida útil esperada geralmente entre 2 e 5 anos.
Embora as baterias de íon de lítio sejam mais caras que as baterias de chumbo-ácido, seu desempenho é mais estável e sua vida útil esperada é mais longa (10 para 12 anos), tornando-os gradualmente o material mais popular do mercado.
Além disso, existem outros tipos químicos de baterias que ocupam uma posição intermediária em eficiência e custo, e também têm seus próprios mercados devido a diferentes perspectivas e necessidades de aplicação.
Por exemplo, baterias de níquel cádmio podem armazenar energia em baixas temperaturas, mas sua densidade é baixa, então eles não podem armazenar uma grande quantidade de energia. Em comparação com as baterias mencionadas, baterias de níquel-hidrogênio têm maior capacidade de armazenamento e menores custos de manutenção em comparação com os anos anteriores, e também será favorecido pelo mercado.
A energia do lítio é um campo de pesquisa ativo e quente, e atualmente os produtos químicos para baterias mais populares incluem:
Lítio níquel manganês cobalto (LiNixMnyCozO2 ou NMC)
Óxido de alumínio e níquel-lítio-cobalto (LiNiCoAlO2 ou NCA)
Fosfato de ferro-lítio (LiFePO4 ou LFP)
Óxido de lítio-cobalto (LiCoO2 ou LCO)
Óxido de lítio manganês (LiMn2O4 ou OVM)
Titanato de lítio (Li2TiO3 ou LTO)
Embora estas sejam todas baterias de lítio, existem diferentes diferenças entre eles.
2.Tipos químicos de baterias de íons de lítio
Analisar e compreender os tipos químicos de baterias de íon de lítio, primeiro entenda os termos de avaliação relevantes, o que o ajudará a entender os conceitos e fazer melhores comparações.
2.0.1 Energia específica
Capacidade de tempo operacional, expresso em quilowatts-hora por quilograma.
2.0.2 Poder específico
Capacidade de transporte sob alta corrente, expresso em watts por quilograma。
2.0.3 Segurança
Julgando com base no limite de temperatura da fuga térmica
2.0.4 Desempenho
Capacidade, tensão, e a resistência também indicam o desempenho da bateria em diferentes temperaturas.
2.0.5 Vida útil
O tempo total de uso dos ciclos completos de descarga de carga da bateria.
2.0.6 Custo de investimento
O custo das matérias-primas, componentes de montagem, e investimento em tecnologia de trabalho.
2.1 Óxido de lítio-cobalto (LiCoO2 ou LCO)
- Alta energia específica (densidade de energia)
- Potência específica limitada
- Baixa segurança
- Vida útil curta
Baterias de óxido de cobalto e lítio, também conhecidas como baterias de óxido de cobalto de lítio ou baterias de íon-lítio-cobalto, são conhecidos desde 1991. O óxido de lítio-cobalto pode formar uma composição química de bateria de alta energia específica, com carbono grafite como ânodo e óxido de cobalto como cátodo, e uma estrutura em camadas que facilita o movimento dos íons.
A tensão nominal é 3,7 V e a densidade de energia é 150 até 180Wh/kg.
Esta alta energia específica, mas baixo desempenho de potência específica, significa que ela pode ser fornecida a cargas de baixa potência por um longo período de tempo, então as baterias LCO são comumente usadas em smartphones, comprimidos, e laptops.
No entanto, este tipo de bateria química tem uma pontuação de segurança mais baixa, especialmente em termos de estabilidade térmica, pois alta resistência pode causar superaquecimento da bateria e aumentar o risco de fuga térmica.
Portanto, juntamente com sua vida útil e ciclo de carregamento mais curtos, As baterias LCO não são mais a escolha mais popular, pois várias indústrias investem em outras tecnologias de baterias mais econômicas.
Enquanto isso, há uma razão especial pela qual a mineração de cobalto envolve violações dos direitos humanos. A República Democrática do Congo fornece quase 70% das matérias-primas de cobalto do mundo.
No entanto, não existem leis trabalhistas ou regulamentos de segurança para manuais (pequena escala) operações de mineração dentro do projeto de mineração de cobalto no segundo maior país da África. A mineração manual de alto risco, o emprego de trabalho infantil durante o processo de mineração, e as más condições de trabalho valeram à indústria mineira de cobalto o título de “bateria de sangue”.
Baterias de íons de lítio sem cobalto podem nos ajudar a utilizar materiais de bateria que sejam éticos para os humanos.
2.2 Óxido de lítio manganês (Limn2o4 ou lmo)
- Melhore a segurança
- Alta estabilidade térmica
- Vida de bicicleta limitada
- Energia específica média
- Relação de potência moderada
As baterias LMO são comumente chamadas de óxido de lítio-manganês, manganês de íon de lítio, e espinélio de manganês, e são conhecidos desde 1996. Sua estrutura forma uma estrutura tridimensional de espinélio ou estrutura cristalina de cátodo de óxido de manganês e lítio.
A estrutura do espinélio pode melhorar o movimento atual e a trajetória do fluxo de íons, reduzir a resistência interna, e melhorar a segurança e a estabilidade.
O design de lítio-manganês maximizou a vida útil da bateria, segurança, e poder específico. Devido à composição química das baterias híbridas que podem prolongar a vida útil da bateria e melhorar a energia específica da bateria, muitos veículos elétricos, como BMW i3 e Nissan Leaf, escolheram a combinação LMO-NMC. O componente LMO fornece alta corrente durante a aceleração, enquanto NMC aumenta a autonomia.
2.3 Fosfato de ferro-lítio (LiFePO4 ou LFP)
- Alta segurança
- Alto poder específico
- Ciclo de vida longo
- Baixa energia específica
O fosfato de ferro-lítio é um tipo de LiFePO4 ou LFP bateria, e a descoberta do fosfato como material catódico impulsionou o desenvolvimento de baterias recarregáveis de lítio.
Após décadas de desenvolvimento e aplicação, agora se tornou um material popular.
As baterias LFP são usadas principalmente para armazenamento de energia e outras aplicações que exigem alta segurança, alta potência, e longa vida útil. A tensão nominal das baterias LiFePO4 é menor, resultando em energia específica mais baixa do que as baterias de íon-lítio-cobalto.
Embora a densidade de energia da composição química desta bateria seja ligeiramente inferior (3.2V/Célula), tem uma longa vida útil, menor custo, e é mais seguro.
Pode até suportar diferenças de temperatura muito grandes, tornando-o popular em indústrias com cargas elevadas e ambientes agressivos. Possui bom desempenho eletroquímico e maior tolerância à sobrecarga de baterias, e também é popular em equipamentos utilizados em locais fixos de alta durabilidade.
O avanço da tecnologia química das baterias tornou um passo inevitável a substituição das baterias tradicionais.. Por exemplo, baterias de fosfato de lítio podem substituir baterias iniciais de chumbo-ácido – baterias de fosfato de lítio funcionam bem quando quatro baterias são conectadas em série, produzindo uma tensão igual à tensão gerada por seis baterias de chumbo-ácido conectadas em série.
Isto também reflete o excelente desempenho e viabilidade econômica das baterias LiFePO4.
2.4 Lítio níquel manganês cobalto (LiNixMnyCozO2 ou NMC)
- Alto poder específico
- Alta energia específica
- Alta segurança
- Custo médio
- Bom desempenho geral
O cobalto-lítio-níquel-manganês é um dos principais materiais químicos no mercado de baterias, entre outros materiais. Baterias, também conhecido como NMC, NCM, etc., pode ser usado como baterias de energia ou baterias de energia.
A bateria NMC é um dos produtos de bateria combinada de cátodo de íon-lítio-níquel-manganês-cobalto de maior sucesso.
Com base em custos de produção mais baixos, também pode fornecer alta energia específica e tem boa segurança. Sobre 2000 os ciclos de carregamento provam que também tem excelente vida útil.
Sua tensão nominal é 3,6V e densidade de energia é 150-220Wh/kg, tornando-o uma escolha de alta qualidade na indústria de veículos elétricos. Combinando as vantagens do níquel (alta energia específica) e manganês (formando estruturas de espinélio para obter baixa resistência interna), As baterias NMC são amplamente utilizadas em indústrias como bicicletas elétricas, Veículos elétricos, e equipamentos médicos.
O NMC também tem a menor taxa de autoaquecimento entre as seis configurações, e é leve, tamanho pequeno, e forte capacidade de armazenamento de energia fazem dele uma das escolhas ideais para fabricantes.
A composição química do NMC pode ser configurada para conter diferentes quantidades. A fórmula NMC normalmente consiste em 33% níquel, 33% manganês, e 33% cobalto. O cobalto está se tornando cada vez mais caro e difícil de sustentar a aquisição, enquanto o mundo está pressionando para minimizar o uso de cobalto.
Portanto, a combinação única de 1-1-1 torna as baterias NMC uma boa escolha devido ao seu baixo teor de cobalto e menores custos de matéria-prima. Portanto, é uma escolha popular em indústrias que dependem de ciclos frequentes para aplicações generalizadas, como a produção em larga escala de baterias em automóveis e sistemas de armazenamento de energia (Ess).
Outras estruturas de combinação bem-sucedidas em aplicações de mercado são NMC811 e NMC622, e a série NMC está em constante crescimento para se adaptar aos sistemas eletroquímicos de íons de lítio mistos NMC no mercado.
2.5 Óxido de alumínio e níquel-lítio-cobalto (LiNiCoAlO2 ou NCA)
- Alta energia específica
- Longa vida útil
- Excelente potência e desempenho
- O custo e a segurança são relativamente baixos em comparação com outros
Óxido de alumínio e níquel-lítio-cobalto (NCA) as baterias têm semelhanças com o NMC, pois possuem alta energia específica e bons dados de potência específica. Num estudo comparando a energia específica do chumbo, à base de níquel, e sistemas baseados em lítio, descobriu-se que o alumínio-lítio (NCA) tem a maior energia específica, e NCA tem um ciclo de vida alto de mais de 2000 Ciclos de carregamento.
A densidade de energia de 200-260Wh/kg e a tensão nominal de 3,6V tornam o NCA uma escolha ideal para sistemas de energia, embora esta composição química exija mais atenção às questões de segurança e seja cara.
Porque as baterias NCA alcançam maior estabilidade adicionando alumínio, mas em materiais químicos de bateria, quanto maior o teor de níquel, quanto maior a energia específica, e pior será a estabilidade da bateria. Portanto, As baterias NCA precisam tomar mais medidas de segurança para garantir a qualidade da bateria e a segurança do usuário.
O NCA pode fornecer correntes relativamente grandes por um longo período e manter altas taxas de carregamento para carregamento rápido. As baterias configuradas podem ser usadas para veículos elétricos de alto desempenho ou veículos elétricos off-road pesados (OHEVs), tornando o NCA um material candidato para sistemas de energia de veículos elétricos.
2.6 Titanato de lítio (Li2TiO3 ou LTO)
- Excelente segurança
- Carregamento rápido
- Longa vida útil
- Baixa energia específica
Desde que entrou no mercado em 2008, As baterias de titanato de lítio têm sido uma das baterias de íon de lítio mais seguras, com excelente desempenho, como estabilidade térmica em altas temperaturas e alta corrente de descarga (10 vezes a capacidade nominal).
O ciclo de carregamento é de aproximadamente 15000 vezes, e a vida útil é mais longa do que a do fosfato de ferro-lítio.
Em baterias LTO, titanato de lítio substitui o grafite no ânodo, enquanto o óxido de lítio-manganês ou NMC atua como material catódico. Comparado com baterias tradicionais de íons de lítio com mistura de cobalto, baterias de titanato de lítio têm características de tensão zero, e não formará SEI (interface de eletrólito sólido) filme ou revestimento de lítio durante carregamento em baixa temperatura e carregamento rápido, garantindo sua eficiência de reação.
O titanato de lítio tem bom poder específico e desempenho em uma ampla faixa de temperatura, mas suas duas principais desvantagens são o custo de produção e o menor poder específico em comparação com outros tipos de dados.
LTO tem sido usado em equipamentos aeroespaciais e militares, bem como aplicações de energia solar, e ainda há espaço para mais desenvolvimento nesta química de baterias.
Conclusão
Como João B. Goodenough disse uma vez, “A ciência é uma linguagem internacional.”. É precisamente esta linguagem que continuará a promover a inovação, e a tecnologia inovadora levou ao desenvolvimento contínuo e à vitalidade do mercado global de baterias de íons de lítio.
Os fabricantes de baterias investem continuamente na pesquisa e desenvolvimento de baterias de íons de lítio para liberar o potencial de novos tipos de baterias de íons de lítio.. Aqui estão apenas seis tipos químicos populares de baterias de íon de lítio, e acredito que você terá uma compreensão mais profunda depois de lê-los.
As baterias LCO são as baterias mais comumente usadas em dispositivos eletrônicos portáteis.
As baterias LMO fornecem corrente mais alta do que as baterias LCO, e NMC tornou-se o principal produto químico catódico para muitas aplicações devido ao seu custo mais baixo em comparação com outras baterias à base de cobalto. As baterias LTO carregam mais rápido, enquanto as baterias LFP são muito estáveis e seguras mesmo quando totalmente carregadas. O NCA funciona bem em aplicações de alta carga e tem bateria de longa duração, tornando-o uma escolha ideal para fabricantes de veículos elétricos.
Pode-se dizer que cada um deles tem seus próprios pontos fortes e características distintas, e seus cenários de aplicação também são diferentes. As baterias de íon de lítio são uma das baterias recarregáveis amplamente utilizadas no mercado atual e atualmente dominam o mercado de baterias secundárias.
E ainda há espaço de desenvolvimento maior e mais amplo no mercado de baterias, como a pesquisa e desenvolvimento de baterias de íon de sódio, que é uma das dez principais tecnologias emergentes na área química em 2022.
Professor Xia Hui da Universidade de Tecnologia de Nanjing, na China, em colaboração com equipes nacionais e estrangeiras, fez progressos significativos na pesquisa de materiais catódicos à base de manganês, que também é um futuro mercado de baterias promissor para o editor.
Assim como a história humana está constantemente sendo criada, a inovação tecnológica também está em constante atualização, e podemos continuar a prestar atenção ao desenvolvimento de baterias juntos.
