Química e componentes da célula

Ânodo

O ânodo é um dos dois eletrodos numa bateria de veículo elétrico (EV), sendo o outro o cátodo. Durante o ciclo de descarga, ocorre oxidação no ânodo, libertando eletrões para o circuito externo para alimentar o dispositivo ou veículo. Durante o ciclo de carregamento, ocorre redução no ânodo, absorvendo eletrões do circuito externo e armazenando energia na bateria.

Numa bateria de iões de lítio, o ânodo é tipicamente feito de grafite, que possui uma estrutura em camadas que permite aos iões de lítio intercalar entre as camadas. Quando a bateria descarrega, os iões de lítio deslocam-se do ânodo para o cátodo através do eletrólito, enquanto os eletrões fluem pelo circuito externo. Durante o carregamento, ocorre o processo inverso, com os iões de lítio a deslocarem-se do cátodo de volta para o ânodo.

O desempenho do ânodo é crucial para o desempenho geral e a segurança de uma bateria de veículo elétrico (EV). Um material de ânodo de alta qualidade deve ter elevada capacidade de armazenamento de iões de lítio, boa condutividade, estabilidade estrutural e resistência à degradação ao longo de múltiplos ciclos de carga e descarga. Embora os ânodos de grafite cumpram estes requisitos, os investigadores estão a explorar outros materiais, como o silício, que apresenta uma capacidade de armazenamento muito superior mas é mais propenso à degradação.

Empresas como a StoreDot estão a trabalhar em ânodos à base de silício. Teoricamente, isto poderia duplicar a densidade energética ao nível da célula, beneficiando significativamente os veículos elétricos. Os ânodos de silício poderiam também melhorar a atratividade de células de menor energia, como as LFP, reduzindo a diferença para as células baseadas em NMC e minimizando a principal desvantagem das LFP — a densidade energética limitada. Estimativas mostram que incorporar 20% de silício num ânodo poderia melhorar a densidade energética de uma célula LFP em 17%, embora o custo adicional possa ser proibitivo.

Cátodo

O cátodo é o eletrodo onde ocorre redução durante o ciclo de descarga, aceitando eletrões do circuito externo para alimentar o dispositivo ou veículo. Durante o ciclo de carregamento, ocorre oxidação no cátodo, libertando eletrões para o circuito externo e armazenando energia na bateria.

Numa bateria de iões de lítio, o cátodo é tipicamente feito de um óxido metálico, como óxido de cobalto de lítio (LCO), óxido de níquel cobalto manganês de lítio (NMC) ou fosfato de ferro de lítio (LFP). A escolha do material do cátodo influencia significativamente o desempenho, a segurança e o custo da bateria.

Óxidos de níquel, manganês e cobalto de lítio (NMC)

Os cátodos NMC são populares em baterias de veículos elétricos devido à sua elevada densidade energética e boa estabilidade térmica. Oferecem um equilíbrio entre densidade energética e densidade de potência, tornando-os adequados para uma vasta gama de aplicações em veículos elétricos.

Diferentes versões de cátodos NMC, como NMC111, NMC532 e NMC622, referem-se às proporções de níquel, manganês e cobalto. Maior teor de níquel aumenta a densidade energética mas também o custo. Desenvolvimentos recentes incluem o NMC811 e o NMC622, que oferecem uma densidade energética ainda maior mas podem enfrentar desafios relacionados com a estabilidade térmica e a vida útil em ciclos. NCM9 é a mais recente evolução, com 90% de teor de níquel.

O tamanho das partículas e a morfologia do material do cátodo também influenciam o desempenho. Partículas mais pequenas podem melhorar a capacidade de carga a altas taxas e a densidade de potência, enquanto partículas maiores podem aumentar a densidade energética.

Óxidos de lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA)

Os cátodos NCA têm elevada densidade energética e são utilizados em baterias de veículos elétricos, particularmente nos veículos da Tesla. Oferecem elevada densidade energética e bom desempenho, tornando-os uma escolha popular para muitos fabricantes de veículos elétricos.

Os cátodos NCA contêm tipicamente níquel, cobalto, alumínio e oxigênio. Eles oferecem elevada densidade energética, resultando numa maior autonomia para veículos elétricos. Os cátodos NCA também apresentam boa densidade de potência e longa vida útil em ciclos, mas podem ser sensíveis a altas temperaturas, requerendo sistemas sofisticados de gestão térmica.

Fosfato de ferro de lítio (LFP)

O fosfato de ferro de lítio (LFP) é um material de cátodo comumente utilizado em baterias de veículos elétricos devido à sua elevada estabilidade térmica e longa vida útil em ciclos. Os cátodos LFP têm uma menor densidade energética em comparação com outros tipos, mas oferecem boa segurança, durabilidade e relação custo-benefício.

Os cátodos LFP consistem em fosfato de ferro de lítio (LiFePO4), um material estável e não tóxico. São populares na China devido a regulamentos rigorosos de segurança. Marcas como a Tesla utilizam LFP nos seus modelos de menor autonomia.

Vantagens do LFP

• Elevada estabilidade térmica, reduzindo o risco de fuga térmica.
• Longa vida útil em ciclos, tornando-os adequados para aplicações que exigem alta fiabilidade.
• Custo inferior comparado com químicas à base de níquel.

Desvantagens do LFP

• Menor densidade energética, tornando-as menos adequadas para veículos elétricos de elevada autonomia.
• Mau desempenho em temperaturas frias, afetando a capacidade de descarga e a velocidade de carregamento.

Fosfato de manganês e ferro de lítio (LMFP)

O LMFP combina a elevada segurança do LFP com a elevada densidade energética do fosfato de manganês de lítio (LMP). É um material de cátodo promissor para baterias de iões de lítio de alto desempenho, especialmente para veículos elétricos.

Vantagens do LMFP

• Elevada estabilidade térmica e baixo risco de fuga térmica.
• Elevada densidade de potência e capacidade de carregamento rápido.
• Longa vida útil em ciclos e bom desempenho em altas taxas.
• Baixo custo e caráter ecológico.
• Plataforma de alta tensão e capacidade específica melhorada.

Desafios do LMFP

• Baixa condutividade eletrónica e coeficiente de difusão de iões de lítio.
• Transição de fase e distorção da rede durante os ciclos.
• Dissolução de manganês a altas temperaturas.
• Compatibilidade do eletrólito e estabilidade da interface.

Resumo dos Materiais de Cátodo

Separador

Um separador é um componente essencial de uma bateria de veículo elétrico (EV), colocado entre o cátodo e o ânodo para evitar curtos-circuitos. É tipicamente uma membrana fina e porosa feita de material polimérico que permite o fluxo de iões de lítio entre os eletrodos enquanto impede o fluxo de eletrões.

O separador fornece uma barreira física, permite o fluxo de iões de lítio e ajuda a manter a estrutura interna da bateria, prevenindo a formação de dendrites. Um bom material de separador deve ter elevada condutividade iónica, baixa condutividade elétrica e boa estabilidade térmica.

Os materiais comuns de separador incluem polietileno (PE), polipropileno (PP) e materiais cerâmicos como fosfato de alumínio titânio de lítio (LATP).

Eletrólito

Os eletrólitos líquidos em baterias de iões de lítio consistem em sais de lítio num solvente orgânico, como carbonato de etileno, carbonato de dimetilo e carbonato de dietilo. Eles atuam como um caminho condutor para catiões que se movem entre os eletrodos durante a descarga e o carregamento.

As baterias de estado sólido, que usam eletrólitos sólidos, oferecem vantagens potenciais como maior densidade energética, carregamento mais rápido, maior durabilidade e melhor segurança. No entanto, elas enfrentam desafios como alto custo, baixa densidade de potência e fraca estabilidade de interface.

As baterias semi-sólidas e quase-sólidas são tipos híbridos que combinam eletrólitos sólidos e líquidos, visando superar algumas desvantagens das baterias de estado sólido.

Colector de corrente

O colector de corrente facilita o fluxo de corrente elétrica entre o eletrodo e o circuito externo. Em baterias de iões de lítio, é tipicamente uma folha metálica fina feita de cobre ou alumínio, revestida com carbono para melhorar a condutividade e prevenir a corrosão.

O design e os materiais do colector de corrente influenciam significativamente o desempenho e a durabilidade da célula da bateria.

Bateria de veículo elétrico explicada com comida

No vídeo abaixo, a Cientista e Engenheira de Baterias Jill Pestana do canal do YouTube Across the Nanoverse explica as diferentes partes da bateria usando comida.