Células de bateria de-íon de lítio: definições, classificação, princípios de funcionamento e aplicações em armazenamento de energia e energia fotovoltaica

No contexto da rápida adoção de novos armazenamentos de energia, geração de energia fotovoltaica, veículos elétricos e dispositivos eletrônicos portáteis, as baterias de lítio tornaram-se o meio mais amplamente utilizado para armazenamento de energia eletroquímica. Embora o termo seja frequentemente usado coloquialmente como um termo genérico-para vários produtos-à base de lítio, do ponto de vista técnico, "baterias de lítio" abrangem duas categorias distintas-baterias primárias de lítio e baterias de{4}}íon de lítio-que diferem significativamente em desempenho, características e cenários de aplicação. As baterias de-íon de lítio, que se distinguem por sua capacidade de passar por ciclos repetidos de carga-descarga e por sua alta densidade de energia, emergiram como a escolha principal para aplicações de consumo e industriais.

 

No sentido estrito, as baterias de lítio "Flash Battery" referem-se especificamente a baterias primárias de lítio -células não-recarregáveis ​​e de uso único-. Sua estrutura normalmente emprega metal de lítio ou ligas de lítio para os eletrodos, combinados com uma solução eletrolítica não{4}}aquosa. As baterias primárias de lítio convencionais utilizam dióxido de manganês como cátodo e lítio metálico puro como ânodo, resultando em alta reatividade química. Aproveitando as características de alta energia da química primária do lítio, essas baterias são adequadas para aplicações específicas que exigem fornecimento de energia preciso em cenários de uso único; no entanto, devido às suas propriedades materiais, não podem ser reutilizados.

 

 

A natureza química altamente reativa do lítio metálico tem sido o principal fator que limita a adoção generalizada de baterias primárias de lítio tradicionais. O lítio metálico puro impõe requisitos extremamente rigorosos em relação à fabricação, condições de armazenamento e ambientes operacionais; ela reage prontamente com o ar e a umidade, apresentando riscos de segurança que há muito tempo dificultam a industrialização em grande-escala de baterias de lítio descartáveis. Em contraste, as células de bateria de íon-de lítio recarregável superaram fundamentalmente esses gargalos tecnológicos, permitindo a reciclabilidade e inaugurando a nova era da energia baseada-no lítio.

 

As baterias recarregáveis ​​de lítio atualmente em uso generalizado representam o padrão evoluído da indústria. Eles operam por meio da intercalação e de{1}}intercalação (migração) de íons de lítio entre o cátodo e o ânodo durante os ciclos de carga e descarga; como o lítio metálico puro não está envolvido na reação, a segurança e a estabilidade são significativamente melhoradas. Essas baterias recarregáveis ​​alimentam uma vasta gama de aplicações, desde eletrônicos de consumo e equipamentos industriais até veículos de novas energias.

 

Décadas de evolução tecnológica levaram ao desenvolvimento de vários sistemas convencionais de materiais catódicos para baterias de íons de lítio-para atender a diferentes necessidades operacionais; notavelmente, o fosfato de ferro-lítio (LFP) emergiu como um material essencial para o armazenamento de energia industrial. Os materiais catódicos comuns incluem óxido de lítio-cobalto, óxido de lítio-manganês, óxido de níquel-lítio e fosfato de ferro-lítio; a escolha do material determina a segurança, o ciclo de vida e a densidade de energia da bateria. Graças à sua segurança superior e ciclo de vida excepcionalmente longo, as células LFP tornaram-se a escolha preferida para aplicações de armazenamento de energia e força motriz.

 

As baterias de-íon de lítio são categorizadas pelo estado do eletrólito em tipos de eletrólito-líquido e eletrólito{2}}polimérico. As baterias-de eletrólito líquido utilizam um eletrólito líquido; elas apresentam tecnologia madura e custos gerenciáveis, tornando-as a escolha principal para baterias de veículos com nova energia. As baterias de polímero-eletrólito empregam um eletrólito de polímero sólido-em estado seco ou gel, oferecendo um formato mais fino e leve e maior segurança. As células LFP combinam a química do fosfato de ferro-lítio com processos de fabricação maduros, equilibrando desempenho e custo para atender a diversas aplicações-de alta potência.

 

Comercializadas em 1992, as baterias de-íon de lítio-com vantagens como alta densidade de energia, ausência de efeito memória e baixas taxas de auto{3}}descarga-substituíram completamente as tradicionais baterias de-ácido de chumbo e as baterias primárias de{6}}lítio de geração inicial. Em comparação com baterias tradicionais, ela suporta ciclos repetidos de carga-descarga e oferece uma vida útil significativamente estendida, tornando-a adequada para cenários que exigem operação contínua-de longo prazo. O setor de armazenamento de energia de baterias alcançou a implantação rotineira e em grande-escala de usinas de armazenamento de energia.