Química das células de baterias de veículos elétricos: elétrodos, eletrólitos e separadores

LFP, NMC e NCA designam os materiais do elétrodo positivo utilizados em muitas baterias de veículos elétricos. A sua combinação com grafite, silício ou outro elétrodo negativo, juntamente com a escolha de um eletrólito compatível, determina o armazenamento de energia, o comportamento durante o carregamento e a durabilidade da célula.

Battery Basics explica como uma célula armazena energia e transporta iões. Aqui, o foco está nos materiais e na forma como são montados no interior da célula.

Materiais do elétrodo positivo

O elétrodo positivo, convencionalmente chamado cátodo, influencia tanto a quantidade de carga que pode ser armazenada como o potencial do elétrodo. A tensão da célula é a diferença entre os potenciais dos dois elétrodos.

NMC, NCA e NCMA

NMC significa óxido de lítio, níquel, manganês e cobalto. NCM é outra designação da mesma família de óxidos lamelares.

Na notação NMC, números como 111, 622 e 811 indicam a proporção molar aproximada de níquel, manganês e cobalto. O NMC 811 tem uma proporção Ni:Mn:Co de 8:1:1. Os algarismos seguem a ordem dos elementos: NMC 532 e NCM 523 descrevem ambos Ni:Mn:Co na proporção 5:3:2. São proporções dos metais de transição no material do cátodo, não percentagens da célula completa. iScience: NCM523 composition in electrode manufacturing research (2020)

Aumentar o teor de níquel pode elevar a capacidade do material para armazenar carga e reduzir a proporção de cobalto. O desafio associado é manter a estabilidade em estados de carga elevados. A fissuração das partículas e as reações com o eletrólito podem acelerar o envelhecimento, pelo que os materiais ricos em níquel exigem um controlo cuidadoso da estrutura das partículas e dos revestimentos de superfície. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

O NCA é óxido de lítio, níquel, cobalto e alumínio. Também utiliza uma estrutura lamelar, na qual o alumínio ajuda a melhorar a estabilidade térmica. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021) LG Energy Solution: NCA cathode materials (2023) O NCMA acrescenta alumínio a um sistema de óxido de níquel, cobalto e manganês. Segundo a LG Energy Solution, o alumínio contribui para a potência e a segurança, enquanto a utilização de mais níquel e menos cobalto reduz o custo dos materiais. LG Energy Solution: NCMA cathode materials (2023)

LFP

LFP é fosfato de ferro e lítio, um material com estrutura de olivina que não contém níquel nem cobalto. A sua estrutura de fosfato proporciona elevada estabilidade térmica e química, tornando-o interessante para células duradouras com menor dependência destes metais.

O LFP funciona a uma tensão inferior e armazena menos carga por grama do que os cátodos ricos em níquel de elevada capacidade, o que limita a sua densidade energética. A menor densidade do elétrodo também reduz a energia que cabe num determinado volume. University of Warwick / Energy & Fuels: practical LMFP cathode trade-offs (2025)

O LFP tem outra característica distintiva: um patamar de tensão amplo e relativamente plano. À medida que o lítio entra e sai, coexistem fases ricas e pobres em lítio ao longo de grande parte da gama de funcionamento do material. A tensão varia pouco nessa região, pelo que, isoladamente, é um indicador pouco preciso do estado de carga. Os sistemas de gestão da bateria têm, por isso, de combinar medições com um modelo da célula. npj Computational Materials: LFP/graphite voltage behaviour and modelling (2024)

Battery Management System explica a estimativa do estado de carga; Battery Charging aborda os limites de carregamento do veículo.

LMFP

LMFP é fosfato de manganês, ferro e lítio. Substituir parte do ferro do LFP por manganês introduz uma zona de tensão mais elevada na curva de descarga, abrindo caminho a mais energia a partir de um cátodo de fosfato.

O ganho exige trabalho de engenharia adicional. Uma baixa condutividade eletrónica e iónica pode limitar a potência, enquanto a dissolução do manganês pode encurtar a vida útil. O tamanho das partículas, os revestimentos de carbono e a proporção entre manganês e ferro influenciam quanto da vantagem de tensão se mantém num elétrodo prático.

Um estudo da Universidade de Warwick de 2025 comparou materiais LMFP fornecidos comercialmente com LFP em células-botão de laboratório à base de grafite. O material com uma proporção manganês/ferro de 80:20 forneceu inicialmente 18% mais energia por massa de material ativo do cátodo do que o LFP a C/20, uma taxa de descarga baixa. O pior desempenho a taxas elevadas e a perda de capacidade mais rápida anularam essa vantagem num ensaio posterior de 100 ciclos a C/3. Estas medições descrevem os materiais e as células-botão ensaiados, não a densidade energética nem a vida útil de uma célula automóvel. University of Warwick / Energy & Fuels: practical LMFP cathode trade-offs (2025)

LMO e misturas de materiais catódicos

LMO é óxido de manganês e lítio, normalmente com estrutura cristalina de espinela. Os seus percursos tridimensionais de difusão do lítio favorecem uma potência elevada, mas a dissolução do manganês e a perda de capacidade podem limitar a durabilidade. ChemSusChem: LMO power characteristics and blended cathodes (2020) Nature Communications: manganese dissolution and LMO capacity loss (2019)

Os fabricantes podem combinar materiais num mesmo elétrodo. As misturas LMO/NMC são um exemplo; as misturas LMFP/NMC são outro. As proporções alteram o perfil de tensão, a densidade do elétrodo e o equilíbrio entre potência e energia. Uma mistura é fisicamente diferente de um conjunto de bateria com células separadas de químicas diferentes. University of Warwick / Energy & Fuels: practical LMFP cathode trade-offs (2025) ChemSusChem: LMO power characteristics and blended cathodes (2020)

A comparação seguinte refere-se a materiais do elétrodo positivo combinados com um elétrodo negativo adequado. Descreve tendências, não especificações fixas das células.

A estrutura do conjunto de bateria altera a relação entre a densidade energética da célula e a do conjunto. Estes efeitos, incluindo a integração cell-to-pack e a integração estrutural, são abordados em Battery Pack & Configuration.

Materiais do elétrodo negativo

O elétrodo negativo é convencionalmente chamado ânodo. A grafite armazena lítio entre as suas camadas de carbono, o silício forma ligas de lítio e silício, e os elétrodos de lítio metálico armazenam-no como metal. As células de iões de sódio utilizam outro sistema de materiais, descrito abaixo.

Grafite

A grafite contém camadas de carbono que podem alojar lítio entre si. Este processo de armazenamento, chamado intercalação, é reversível e constitui a base das células convencionais de iões de lítio com ânodo de grafite.

Os elétrodos podem utilizar grafite natural, sintética ou misturas. O tamanho, a forma e o tratamento superficial das partículas influenciam a rapidez com que o lítio entra no material e a quantidade de eletrólito que reage à sua superfície.

Durante o carregamento, pode depositar-se lítio metálico sobre a grafite em vez de entrar na sua estrutura. É a deposição de lítio, ou lithium plating. Uma corrente de carga elevada e uma temperatura baixa podem favorecê-la, tornando a inserção dos iões demasiado lenta para a corrente imposta. Argonne / DOE review presentation: Anode Structures that Enhance Fast Charge (2020) Alguns depósitos podem voltar a participar nos ciclos; outros ficam eletricamente isolados ou reagem com o eletrólito, reduzindo o lítio disponível. Se os depósitos atravessarem o separador, podem criar um curto-circuito interno. Nature Communications: lithium plating, inactive lithium and short-circuit mechanisms (2022)

Esta limitação da grafite também se aplica às células grafite/LFP. Um elétrodo positivo estável não elimina uma limitação de carregamento do elétrodo negativo. Battery Thermal Management explica como o aquecimento e o arrefecimento ajudam a controlar estas condições.

Elétrodos com silício

O silício armazena lítio formando ligas de lítio e silício e pode armazenar muito mais carga por grama do que a grafite. Também muda substancialmente de tamanho: a litiação completa pode aumentar o volume do material ativo de silício em cerca de 300%. Esse valor descreve o próprio silício, não a expansão de um elétrodo ou de uma célula completos. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

A expansão e a contração podem fraturar partículas e as suas ligações elétricas. Podem também danificar a interfase de eletrólito sólido, ou SEI: a camada protetora de reação formada no elétrodo negativo. A reconstrução dessa camada consome eletrólito e lítio que, de outro modo, permaneceriam disponíveis para os ciclos.

Os compósitos de grafite e silício mantêm a grafite como estrutura estável e acrescentam silício ou compostos à base de silício, incluindo óxidos de silício. Partículas especificamente concebidas e ligantes flexíveis ajudam a acomodar o movimento; os aditivos do eletrólito ajudam a formar uma interface mais resistente.

Um grande aumento da capacidade do material do ânodo produz um aumento menor da densidade energética da célula acabada. O elétrodo positivo, o eletrólito, o separador, os coletores e o invólucro continuam a contribuir para a massa, e os dois elétrodos têm de ter capacidades compatíveis. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

Titanato de lítio

O titanato de lítio, ou LTO, é um material alternativo para o elétrodo negativo. Funciona a um potencial superior ao da grafite, dando maior margem contra a deposição de lítio e permitindo elevada potência e ciclos frequentes.

A sua estrutura cristalina varia muito pouco de volume quando o lítio entra e sai, ajudando-a a suportar ciclos repetidos. O LTO também armazena menos carga por grama do que a grafite. Em conjunto com a menor tensão da célula resultante do maior potencial do ânodo, isto reduz a densidade energética. Lancaster University: LTO structure and capacity, author manuscript

O LTO adequa-se, por isso, a aplicações em que a frequência de carregamento e a vida útil importam mais do que a máxima energia num pequeno volume. O Departamento de Energia dos EUA associa o LTO a aplicações de elevada potência e longa vida em ciclos; as células SCiB da Toshiba, baseadas em LTO, são um exemplo comercial. US Department of Energy: lithium-ion technology assessment (2023) Toshiba: LTO-based SCiB cell characteristics

Lítio metálico

Um elétrodo de lítio metálico substitui a grafite ou o silício como material ativo do elétrodo negativo, oferecendo uma via para maior densidade energética da célula. Durante o carregamento, o lítio deposita-se no elétrodo negativo; durante a descarga, é removido.

Manter uma deposição e remoção uniformes é difícil. As reações com o eletrólito podem deixar lítio eletricamente isolado, consumir eletrólito e danificar o separador. Estes processos ligam diretamente a oportunidade de maior densidade energética aos desafios de durabilidade e segurança. US Department of Energy: lithium-metal cell failure mechanisms (2023)

Lítio metálico descreve o elétrodo negativo. Estado sólido descreve o sistema de eletrólito. Podem ser utilizados em conjunto, mas nenhum dos termos exige o outro.

Sistemas de materiais de iões de sódio

As células de iões de sódio utilizam materiais de elétrodo e eletrólitos que contêm sódio. O carbono duro é um dos principais materiais do elétrodo negativo, porque a grafite convencional armazena pouco sódio com os eletrólitos à base de carbonatos habitualmente utilizados nestas células. Nature Communications: sodium storage in hard carbon (2024)

Carbono duro

O carbono duro tem camadas de carbono desordenadas, defeitos e poros. O armazenamento de sódio envolve vários locais e processos, incluindo o armazenamento entre camadas, em defeitos e dentro de nanoporos. As respetivas contribuições dependem da estrutura do carbono e continuam a ser objeto de investigação.

O precursor e o tratamento térmico influenciam essa estrutura. Aumentar a área superficial acessível pode facilitar o transporte, mas também expor mais superfície a reações com o eletrólito. O sódio consumido na formação da SEI deixa de estar disponível para armazenamento reversível posterior, reduzindo a eficiência do primeiro ciclo: a fração da primeira carga que pode ser recuperada na descarga. Nature Communications: sodium storage in hard carbon (2024)

A capacidade e a densidade de empacotamento do carbono duro também limitam a densidade energética da célula acabada. Uma revisão científica de 2026 identifica ambas como desafios persistentes para células de iões de sódio com mais energia. Nature Reviews Materials: sodium-ion anode capacity and density constraints (2026)

Famílias de elétrodos positivos

Três grandes famílias oferecem abordagens diferentes. Faraday Institution / Rho Motion: sodium-ion material families, printed pp. 43–44 (2023)

• Os óxidos lamelares utilizam combinações de metais em estruturas em camadas. A combinação de metais e a estrutura cristalina afetam a capacidade e a estabilidade ao longo dos ciclos.
• Os materiais polianiónicos utilizam estruturas como fosfatos e sulfatos. As suas redes tridimensionais podem favorecer a durabilidade, enquanto a densidade energética e a condutividade dependem do composto específico.
• Os análogos do azul da Prússia têm estruturas abertas que acomodam iões de sódio. O teor de água e as lacunas na estrutura afetam a sua organização e o desempenho eletroquímico. Chemistry – A European Journal: water, vacancies and sodium content in Prussian blue analogues (2025)

As células de iões de sódio podem dispensar lítio e, com cátodos adequados, níquel e cobalto. Matérias-primas mais baratas não bastam para garantir um preço de célula inferior: a energia armazenada, o rendimento de fabrico e a escala de produção também contam. As alegações atuais sobre produtos e o seu estado comercial são abordados em Latest in Battery Technology.

Como a construção dos elétrodos altera o desempenho

Um elétrodo convencional é um revestimento poroso sobre um coletor de corrente metálico. O seu material ativo armazena carga; os aditivos condutores ligam eletronicamente as partículas; e um ligante mantém o revestimento coeso e fixa-o à folha metálica. O eletrólito preenche os poros para que os iões alcancem o material ativo.

Aplicar mais material ativo por unidade de área de folha pode aumentar a densidade energética, distribuindo a massa da folha e do separador por mais energia armazenada. Para uma dada composição e porosidade do revestimento, isto significa um elétrodo mais espesso e um percurso mais longo para os iões. Um elétrodo mais fino encurta esse percurso, à custa de mais folha e separador por unidade de energia armazenada.

Os revestimentos espessos também são mais difíceis de secar uniformemente. Fissuras ou uma distribuição desigual do ligante podem prejudicar o desempenho, pelo que o revestimento tem de manter as suas ligações, permeabilidade e integridade mecânica. LBNL/DOE: high-energy-density electrode construction (2019)

A porosidade descreve a fração do revestimento ocupada por vazios. Mais espaço poroso pode melhorar o acesso do eletrólito, mas reduz a quantidade de material ativo que cabe num volume dado. As ligações entre poros também importam. A tortuosidade descreve o caráter indireto dos percursos de transporte: percursos mais retos e melhor ligados podem melhorar o transporte iónico sem aumentar o volume dos poros. Num estudo laboratorial de elétrodos espessos sinterizados, os poros alinhados conservaram mais capacidade de descarga a taxas de ciclagem superiores do que uma estrutura com uma fração de volume poroso semelhante, mas sem orientação preferencial. NIST: pore alignment and transport in thick electrodes (2021)

Estas escolhas explicam como duas células com os mesmos materiais ativos podem ser concebidas para prioridades diferentes: armazenar mais energia num espaço limitado ou receber e fornecer essa energia mais depressa.

Eletrólitos e interfaces protetoras

Um eletrólito deve transportar iões e limitar reações indesejadas em ambos os elétrodos. Uma formulação comum de iões de lítio utiliza hexafluorofosfato de lítio (LiPF₆) dissolvido numa mistura de solventes carbonatados, como carbonato de etileno e carbonato de etilo e metilo. As células de iões de sódio utilizam sais de sódio compatíveis. US Department of Energy: lithium-ion technology assessment (2023) Journal of Physics: Energy: current-collector corrosion and passivation (2021)

Os aditivos ajudam a controlar as reações nas superfícies dos elétrodos. Por exemplo, o carbonato de vinileno (VC) e o carbonato de fluoroetileno (FEC) podem ajudar a formar interfaces protetoras em células que contêm silício. A sua eficácia depende da combinação de elétrodos e das condições de funcionamento; o próprio aditivo pode ser consumido ou produzir produtos de reação indesejados. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

SEI, CEI e formação da célula

Parte do eletrólito decompõe-se durante os primeiros ciclos controlados de carga e descarga da célula, conhecidos como formação. A SEI resultante no elétrodo negativo ajuda a impedir a continuação da reação entre o elétrodo carregado e o eletrólito. Tem de permitir a passagem de iões e restringir a transferência de eletrões para o eletrólito.

Uma camada superficial relacionada no elétrodo positivo chama-se interfase cátodo-eletrólito, ou CEI. A sua estabilidade torna-se particularmente importante a potenciais elevados do elétrodo positivo.

Uma interface estável limita novas reações do eletrólito. Uma camada que fissura, se dissolve ou cresce repetidamente pode aumentar a resistência e reduzir a capacidade disponível. É por isso que os revestimentos de superfície, os aditivos do eletrólito e o processo de formação são parte integrante do desempenho da célula. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021) As consequências a mais longo prazo são explicadas em Battery Degradation.

Eletrólitos líquidos, em gel e sólidos

O eletrólito líquido impregna um elétrodo poroso e alcança a superfície das suas partículas. Os sistemas de gel retêm líquido numa rede de suporte. Os eletrólitos sólidos utilizam materiais condutores de iões, como polímeros ou compostos inorgânicos, que exigem contacto adequado com os elétrodos.

As células de estado sólido podem manter materiais catódicos conhecidos, como NMC. O elétrodo negativo pode utilizar lítio metálico ou um material ativo alternativo, como silício. Nature Communications: silicon-containing anodes and complete-cell design (2021)

Substituir eletrólito líquido por sólido altera as interfaces. As camadas de reação podem aumentar a resistência, e a expansão e contração do material ativo podem quebrar o contacto com um eletrólito sólido rígido, interrompendo o transporte iónico. Manter um contacto de baixa resistência é, por isso, uma tarefa central de engenharia. DOE / University of Maryland: solid-electrolyte interface engineering (2021) Nature Communications: volume change and contact loss in solid-state cells (2024)

Termos como semissólido e quase sólido podem designar configurações que retêm líquido ou gel. Identificar o eletrólito e ambos os elétrodos oferece uma descrição mais clara do que apenas a designação «estado sólido».

Separadores e coletores de corrente

Separadores

Numa célula com eletrólito líquido, um separador poroso mantém os elétrodos afastados, permitindo a passagem dos iões através de poros preenchidos com eletrólito. Entre os materiais habituais estão o polietileno e o polipropileno; revestimentos cerâmicos podem melhorar a resistência ao calor.

Alguns separadores oferecem bloqueio térmico: os poros fecham quando o polímero amolece, restringindo o transporte iónico e a corrente. A proteção tem limites. Um aquecimento adicional pode destruir a camada separadora, e uma perfuração ou outros danos podem criar um curto-circuito antes de o bloqueio ajudar. Oak Ridge National Laboratory: separator materials and shutdown limits, section 3.1 (2023)

A espessura e a estrutura porosa do separador também afetam a resistência e o espaço disponível para material ativo. A proteção ao nível da célula e as medidas ao nível do conjunto de bateria são explicadas em Battery Safety.

Coletores de corrente

As folhas metálicas transportam eletrões entre os revestimentos dos elétrodos e os terminais da célula. As células convencionais de iões de lítio com ânodo de grafite utilizam normalmente cobre no lado negativo e alumínio no positivo.

A escolha depende do potencial de funcionamento do elétrodo e da sua interação com o eletrólito. O alumínio pode formar uma liga com o lítio ao baixo potencial de um elétrodo de grafite carregado, pelo que aí se utiliza cobre. Aos potenciais do elétrodo positivo, o cobre pode oxidar e dissolver-se. O alumínio é protegido por uma película superficial, incluindo uma camada rica em fluoretos nos eletrólitos convencionais de LiPF₆. Journal of Physics: Energy: current-collector corrosion and passivation (2021)

O LTO funciona a um potencial superior ao da grafite e também pode utilizar alumínio no lado negativo. US Department of Energy: lithium-ion technology assessment (2023) As células de iões de sódio podem igualmente utilizar coletores de alumínio em ambos os lados, porque o sódio não forma eletroquimicamente uma liga com o alumínio à temperatura ambiente. Small: lithium/sodium chemistry and current-collector choices (2026)

Reduzir a espessura do coletor poupa massa inativa, mas a folha tem de continuar suficientemente resistente para o fabrico e a utilização. A disposição destas folhas revestidas, separadores e terminais é abordada em Cell Formats.