Baterias de íon de lítio

O princípio de operação de qualquer bateria elétrica é o acúmulo de energia elétrica durante uma reação química que ocorre quando uma corrente elétrica carregada flui através de uma bateria, e a geração de energia elétrica quando uma corrente de descarga flui durante uma reação química reversa.

A reversibilidade da reação química na bateria permite descarregar e carregar repetidamente a bateria. Essa é a vantagem das baterias sobre as fontes de corrente descartáveis, baterias comuns, nas quais apenas a corrente de descarga é possível.

Como meio de transferência de carga de um eletrodo da bateria para outro, é usado um eletrólito - uma solução especial, devido à reação química com o material nos eletrodos, são possíveis reações químicas diretas e reversas na bateria, o que torna possível carregar a bateria e sua posição.

Hoje, um dos tipos mais promissores de bateria é bateria de iões de lítio. Nessas baterias, o alumínio atua como um eletrodo negativo (cátodo) e o cobre como um eletrodo positivo (ânodo). Os eletrodos podem ter uma forma diferente, como regra, é uma película na forma de um cilindro ou uma embalagem oblonga.

Aplique sobre papel alumínio material catódico, que na maioria das vezes pode ser um dos três: cobalto de lítio LiCoO2, ferrofosfato de lítio LiFePO4 ou espinélio de manganês de lítio LiMn2O4 e grafite é aplicada a uma folha de cobre. O ferrofosfato de lítio LiFePO4 é o único material catódico atualmente seguro em termos de risco de explosão e respeito ao meio ambiente em geral.

Os eletrólitos de polímero que podem incorporar sais de lítio em sua composição, devido à sua plasticidade, possibilitam a produção de baterias de íons de lítio com uma grande superfície interna e quase qualquer forma, e isso aumenta significativamente a capacidade de fabricação da produção e as dimensões gerais.

No processo de carregamento dessa bateria, os íons de lítio se movem através do eletrólito e são incorporados na estrutura cristalina da grafite no ânodo, formando composto de grafite de lítio LiC6. Durante a descarga, ocorre o processo inverso - os íons de lítio se movem para o cátodo (oxidante) a partir do ânodo e os elétrons se movem no circuito externo para o cátodo, como resultado, o processo adquire neutralidade elétrica.

A tensão nominal de uma bateria de íons de lítio é de 3,6 volts, no entanto, a diferença de potencial durante o carregamento pode chegar a 4,23 volts. Em conexão com esse fato, a carga é produzida na tensão máxima permitida não superior a 4,2 volts.

Alguns compostos de lítio podem facilmente inflamar se a tensão for excedida; portanto, tradicionalmente, eles são incorporados a baterias de íon de lítio controladores de nível de cargaque não permitam exceder a tensão crítica. Outro recurso de segurança é a válvula integrada para aliviar o excesso de pressão dentro da bolsa.

As baterias de íon de lítio já ocuparam o devido lugar no mercado de eletrodomésticos portáteis. São baterias para telefones celulares, câmeras, filmadoras, tablets, tocadores, etc.

Ferrofosfato de lítio LiFePO4 É considerado o material catódico mais promissor devido à sua compatibilidade ambiental. O cobalto de lítio LiCoO2, por sua vez, é tóxico e prejudicial ao meio ambiente, e para as baterias baseadas nele, apenas 50% dos íons podem ser removidos da estrutura do composto, porque se você remover completamente o lítio, a estrutura se tornará instável, o cobalto entrará no estado de oxidação + 4 e será capaz de oxidar o oxigênio, e o oxigênio atômico liberado oxidará o eletrólito e ocorrerá uma explosão.Baterias com capacidade aumentada (baseadas em LiCoO2) são extremamente explosivas.

O ferrofosfato de lítio LiFePO4 foi proposto como material catódico de baterias para dispositivos mais poderosos em 1997 por John Goodenough.

O ferrofosfato de lítio está presente na crosta terrestre e não criará problemas ambientais no futuro. O oxigênio não pode ser liberado a partir dele, uma vez que está fortemente ligado ao fósforo com a formação de um íon fosfato estável. No entanto, para a possibilidade de usar este material, ele teve que ser fragmentado em pequenas partículas, caso contrário, permaneceria um isolador devido à sua condutividade muito baixa. As partículas foram tornadas lamelares com tamanhos pequenos ao longo da direção do movimento dos íons de lítio, depois foram revestidas com uma camada nanométrica de carbono.

Essas nanopartículas de LiFePO4 são capazes de carregar em 10 minutos e, se o revestimento ainda for modificado, o tempo de carga será reduzido para 1-3 minutos. No futuro, é esse material que poderá fornecer energia aos veículos elétricos por 10 anos. Já é tecnologicamente possível o ciclo de descarga de carga em 5 a 10 minutos com total segurança.

Do ponto de vista da ciência moderna, o desenvolvimento e a liberação de nanoacumulador portátil Não demorará muito para esperar, e a palavra é apenas para a ampla implementação tecnológica dos desenvolvimentos. Quanto às perspectivas dos veículos elétricos, agora já podemos assumir que eles se tornarão o principal meio de transporte nas cidades do futuro próximo.