Química das Células e Partes

Ânodo

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

Em uma bateria de íons de lítio, o ânodo é tipicamente feito de grafite, que possui uma estrutura em camadas que permite que íons de lítio se intercalem entre as camadas. Quando a bateria descarrega, os íons de lítio movem-se do ânodo para o cátodo através do eletrólito, enquanto os elétrons fluem pelo circuito externo. Durante o carregamento, ocorre o processo inverso, com os íons de lítio movendo-se do cátodo de volta ao ânodo.

O desempenho do ânodo é crucial para o desempenho geral e a segurança de uma bateria de EV. Um material de ânodo de alta qualidade deve ter alta capacidade de armazenamento de íons de lítio, boa condutividade, estabilidade estrutural e resistência à degradação ao longo de múltiplos ciclos de carga e descarga. Embora os ânodos de grafite atendam a esses requisitos, pesquisadores estão explorando outros materiais como o silício, que possui uma capacidade de armazenamento muito maior, mas é mais suscetível à degradação.

Empresas como a StoreDot estão trabalhando em ânodos à base de silício. Isso poderia, teoricamente, dobrar a densidade energética ao nível da célula, beneficiando significativamente os EVs. Ânodos de silício também poderiam melhorar o apelo de células de menor energia, como LFP, reduzindo a diferença em relação às células à base de NMC e minimizando a principal desvantagem do LFP — densidade energética limitada. Estimativas mostram que incorporar 20% de silício em um 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 a redução durante o ciclo de descarga, aceitando elétrons do circuito externo para alimentar o dispositivo ou veículo. Durante o ciclo de carregamento, ocorre oxidação no cátodo, liberando elétrons no circuito externo e armazenando energia na bateria.

Em uma bateria de íons 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 impacta 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 EV devido à sua alta densidade energética e boa estabilidade térmica. Eles oferecem um equilíbrio entre densidade energética e densidade de potência, tornando-os adequados para uma ampla gama de aplicações em EVs.

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 NMC811 e NMC622, que oferecem densidade energética ainda maior, mas podem apresentar desafios relacionados à estabilidade térmica e à vida útil de ciclo. NCM9 é a evolução mais recente, com 90% de teor de níquel.

O tamanho de partícula e a morfologia do material do cátodo também impactam o desempenho. Partículas menores podem melhorar a capacidade de taxa e a densidade de potência, enquanto partículas maiores podem aumentar a densidade energética.

Óxidos de Níquel, Cobalto e Alumínio de Lítio (NCA)

Os cátodos NCA possuem alta densidade energética e são usados em baterias de EV, particularmente nos veículos da Tesla. Eles oferecem alta densidade energética e bom desempenho, tornando-se uma escolha popular para muitos fabricantes de EVs.

Os cátodos NCA geralmente incluem níquel, cobalto, alumínio e oxigênio. Eles oferecem alta densidade energética, resultando em maior autonomia para EVs. Cátodos NCA também apresentam boa densidade de potência e longa vida de ciclo, mas podem ser sensíveis a altas temperaturas, exigindo sofisticados sistemas de gerenciamento térmico.

Fosfato de Ferro de Lítio (LFP)

O LFP é um material de cátodo comumente usado em baterias de EV devido à sua alta estabilidade térmica e longa vida de ciclo. Cátodos LFP têm densidade energética menor em comparação a outros tipos, mas oferecem boa segurança, durabilidade e custo-benefício.

Os cátodos LFP consistem em fosfato de ferro de lítio (LiFePO4), um material estável e não tóxico. Eles são populares na China devido às rigorosas regulamentações de segurança. Marcas como a Tesla usam LFP em seus modelos de menor autonomia.

Vantagens do LFP

• Alta estabilidade térmica, reduzindo o risco de fuga térmica.
• Longa vida de ciclo, tornando-os adequados para aplicações que exigem alta confiabilidade.
• Custo mais baixo em comparação com químicas à base de níquel.

Desvantagens do LFP

• Menor densidade energética, tornando-os menos adequados para EVs de alta autonomia.
• Desempenho ruim em clima frio, afetando a capacidade de descarga e a velocidade de carregamento.

Fosfato de Ferro-Manganês de Lítio (LMFP)

LMFP combina a alta segurança do LFP e a alta densidade energética do fosfato de manganês de lítio (LMP). É um material de cátodo promissor para baterias de íons de lítio de alto desempenho, especialmente para EVs.

Vantagens do LMFP

• Alta estabilidade térmica e baixo risco de fuga térmica.
• Alta densidade de potência e capacidade de carregamento rápido.
• Longa vida de ciclo e bom desempenho em taxas de carga.
• Baixo custo e respeito ao meio ambiente.
• Plataforma de alta tensão e capacidade específica aprimorada.

Desafios do LMFP

• Baixa condutividade eletrônica e coeficiente de difusão de íons de lítio.
• Transição de fase e distorção da rede cristalina durante os ciclos.
• Dissolução de manganês em altas temperaturas.
• Compatibilidade com o eletrólito e estabilidade da interface.

Resumo dos Materiais de Cátodo

Separador

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

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

Materiais comuns para separadores incluem polietileno (PE), polipropileno (PP) e materiais cerâmicos como fosfato de alumínio-titânio de lítio (LATP).

Eletrólito

Eletrólitos líquidos em baterias de íons de lítio consistem em sais de lítio em um solvente orgânico, como carbonato de etileno, carbonato de dimetila e carbonato de dietila. Eles atuam como um caminho condutor para cátions que se movem entre os eletrodos durante a descarga e o carregamento.

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

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

Coletor de corrente

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

O projeto e os materiais do coletor de corrente impactam significativamente o desempenho e a durabilidade da célula de bateria.

Bateria de EV 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.