Recentemente,
falamos sobre a história da invenção de baterias de íon-lítio, que deu um forte impulso ao desenvolvimento de eletrônicos portáteis. Todos os anos, a mídia tecnológica nos informa sobre a próxima revolução energética - apenas um pouco, mais um ano ou dois, e o mundo verá baterias com características fantásticas. À medida que o tempo passa e a revolução não é visível, em nossos telefones, laptops, quadrocopters, veículos elétricos e relógios inteligentes, várias modificações das baterias de íon de lítio ainda estão instaladas. Então, para onde foram todas as baterias inovadoras e existe alguma alternativa ao Li-Ion?
Quando esperar a revolução da bateria?
É uma pena incomodá-lo, mas já passou. Ele se estendeu por algumas décadas e, portanto, permaneceu quase despercebido. O fato é que a invenção das baterias de íon-lítio foi o culminar da evolução das baterias químicas.
As fontes químicas de corrente são baseadas em uma reação redox entre os elementos. Na tabela periódica, existem apenas 90 elementos naturais que podem participar dessa reação. Portanto, o lítio acabou sendo um metal com características extremas: a menor massa, o menor potencial de eletrodo (-3,05 V) e a maior carga de corrente (3,83 A · h / g).
O lítio é a melhor substância ativa do cátodo na Terra. O uso de outros elementos pode melhorar uma característica e inevitavelmente piorar a outra. É por isso que os experimentos com baterias de lítio já estão em andamento há 30 anos - combinando materiais, entre os quais sempre há lítio, os pesquisadores estão criando tipos de baterias com as características certas e com aplicações muito restritas. A boa e velha bateria com um cátodo de óxido de cobalto e lítio, que chegou até nós nos anos 80 do século passado, ainda pode ser considerada a mais comum e universal devido à excelente combinação de tensão, carga atual e densidade de energia.
Portanto, quando a próxima partida pela boca da mídia promete em voz alta ao mundo uma revolução energética dia após dia, os cientistas ficam modestamente silenciosos sobre o fato de que as novas baterias têm alguns problemas e limitações que ainda precisam ser resolvidos. Eles geralmente não podem ser resolvidos.
O principal problema das baterias "revolucionárias"
Hoje existem muitos tipos de baterias com diferentes composições químicas, inclusive sem o uso de lítio. Cada um dos tipos com suas próprias características encontrou sua aplicação em um certo tipo de tecnologia. Baterias leves, finas e de alta voltagem-cobalto são prescritas há muito tempo em smartphones compactos. Baterias resistentes, potentes, mas de tamanho muito grande, titânio e lítio, cabem no transporte público. E células de fosfato de lítio à prova de fogo de baixa capacidade são usadas como grandes matrizes em usinas de energia.
Ainda assim, são as baterias de lítio-cobalto para equipamentos móveis de consumo que são as mais procuradas. O principal critério que eles atendem é uma alta tensão de 3,6 V, mantendo alta intensidade de energia por unidade de volume. Infelizmente, muitos tipos alternativos de baterias de lítio têm uma voltagem muito menor - abaixo de 3,0 V e até inferior a 2,0 V - da qual é impossível alimentar um smartphone moderno.
A subsidência de qualquer uma das características pode ser compensada combinando as baterias em células, mas as dimensões aumentam. Portanto, se a próxima bateria promissora com características milagrosas for inadequada para uso em equipamentos móveis ou veículos elétricos, é quase garantido que seu futuro seja predeterminado. Por que precisamos de uma bateria com uma vida útil de 100 mil ciclos e carregamento rápido, a partir do qual você só pode usar um relógio de pulso com as mãos?
Experiências com falha
Nem todas as baterias descritas abaixo podem ser consideradas malsucedidas - algumas requerem um desenvolvimento muito longo, outras podem ser aplicadas não em smartphones, mas em equipamentos especializados. No entanto, todos esses desenvolvimentos foram posicionados como um substituto para baterias de íons de lítio em smartphones.
Em 2007, a Leyden Energy, uma startup americana, recebeu US $ 4,5 milhões em investimentos de vários fundos de capital de risco para criar, como alegaram, uma
nova geração de baterias de íons de lítio . A empresa usou um novo eletrólito (Solvente em Sal) e um cátodo de silício, que aumentaram significativamente a intensidade de energia e a resistência a altas temperaturas de até 300 ° C. As tentativas de fabricar baterias de laptop com base no desenvolvimento falharam, então a Leyden Energy mudou para o mercado de carros elétricos.
Apesar da infusão constante de dezenas de milhões de dólares, a empresa não conseguiu estabelecer a produção de baterias com características estáveis - os indicadores flutuavam de cópia para cópia. Se a empresa tivesse mais tempo e financiamento, talvez em 2012 não tivesse que vender equipamentos, patentes e ficar sob a asa de outra empresa de energia, a A123 Systems.
As baterias de metal de lítio não são novas: incluem qualquer bateria de lítio não recarregável. O SolidEnergy se propôs a criar células metálicas de lítio recarregáveis. O novo produto teve o dobro da intensidade de energia em comparação com as baterias de lítio-cobalto. Ou seja, no volume anterior foi possível caber duas vezes mais energia. Em vez de grafite tradicional no cátodo, eles usaram folhas de metal de lítio. Até recentemente, as baterias de metal de lítio eram extremamente explosivas devido ao crescimento de dendritos (crescendo no ânodo e no cátodo de formações metálicas lenhosas), o que levou a um curto-circuito, mas a adição de enxofre e fósforo ao eletrólito ajudou a se livrar dos dendritos (embora o SolidEnergy ainda não possua a tecnologia ) Além do preço muito alto, entre os problemas conhecidos das baterias SolidEnergy está uma carga longa - 20% da capacidade por hora.
Comparação dos tamanhos de baterias de lítio-metal e lítio-íon de igual capacidade. Fonte: Sistemas SolidEnergy
O trabalho ativo sobre
elementos de enxofre e magnésio começou nos anos 2010, quando a Toyota anunciou uma pesquisa nessa área. O ânodo nessas baterias é magnésio (um bom análogo de lítio, mas não equivalente), o cátodo consiste em enxofre e grafite e o eletrólito é uma solução salina comum de NaCl. O problema com o eletrólito é que ele destrói o enxofre e torna a bateria inoperante; portanto, você deve preencher o eletrólito imediatamente antes do uso.
Os engenheiros da Toyota criaram um eletrólito a partir de partículas não nucleofílicas, não agressivas ao enxofre. Como se viu, uma bateria estabilizada ainda é impossível de ser usada por um longo tempo, pois após 50 ciclos sua capacidade cai pela metade. Em 2015, um aditivo de íon de lítio foi integrado à bateria e, após outros dois anos, o eletrólito foi atualizado, aumentando a vida útil da bateria para 110 ciclos. A única razão pela qual o trabalho continua com uma bateria tão temperamental é uma alta intensidade teórica de energia (1722 Wh / kg). Mas pode acontecer que, quando surgirem protótipos de sucesso, os elementos magnésio-enxofre não serão mais necessários.
Geração em vez de armazenamento de energia
Alguns pesquisadores propõem ir pelo contrário: não armazene, mas gere energia diretamente no dispositivo. É possível transformar um smartphone em uma pequena central elétrica? Na última década, houve várias tentativas de livrar os aparelhos da necessidade de recarregar pela rede elétrica. A julgar pela forma como cobramos os smartphones agora, as tentativas não foram bem-sucedidas - vamos relembrar as invenções de maior sucesso.
Célula de combustível de decomposição direta de metanol (DFMC). As tentativas de introduzir células de combustível de metanol na tecnologia móvel começaram em meados dos anos 2000. Nesse momento, havia apenas uma transição de telefones de botão de longa duração para smartphones exigentes com uma tela grande - as baterias de íon-lítio duravam no máximo dois dias, então a ideia de recarregar instantaneamente parecia muito atraente.
Na célula combustível, o metanol na membrana polimérica, que atua como eletrólito, é oxidado em dióxido de carbono. O próton de hidrogênio passa para o cátodo, combina-se com o oxigênio e forma a água. Nuance: uma reação eficaz requer uma temperatura de cerca de 120 ° C, mas pode ser substituída por um catalisador de platina, que afeta naturalmente o custo do elemento.
Era impossível encaixar uma célula de combustível na caixa do telefone: o compartimento de combustível era muito geral. Portanto, no final dos anos 2000, a ideia do DFMC tomou forma na forma de baterias portáteis (bancos de potência). Em 2009, a Toshiba lançou um banco de energia serial de metanol chamado Dynario. Ele pesava 280 ge lembrava as modernas baterias portáteis de 30.000 mAh de tamanho, ou seja, era do tamanho de uma palma. O preço do Dynario no Japão foi de impressionantes US $ 328 e outros US $ 36 por um conjunto de cinco frascos de 50 ml de metanol cada. Um "reabastecimento" requer 14 ml, seu volume foi suficiente para duas cargas de um telefone de botão via USB com uma corrente de 500 mA.
Vídeo de operação e reabastecimento Toshiba Dynario
As coisas não foram além do lançamento de um lote experimental de 3.000 cópias, porque o banco de energia de combustível se mostrou muito controverso: caro por si só, com consumíveis caros e o alto custo de uma tarifa telefônica (cerca de US $ 1 por um botão). Além disso, o metanol é tóxico e, em alguns países, exige uma licença para vender e até comprar.
Painéis solares transparentes. Os painéis solares são uma excelente solução para a extração da energia infinita (em nosso século) do sol. Esses painéis têm baixa eficiência a um custo alto e energia muito baixa, enquanto são a maneira mais fácil de gerar eletricidade. Mas o verdadeiro sonho da humanidade são painéis solares transparentes, que poderiam ser instalados em vez de vidro nas janelas de casas, carros e estufas. Por assim dizer, combine negócios com prazer - geração de eletricidade e iluminação natural do espaço. A boa notícia é que existem painéis solares transparentes. O ruim é que eles são praticamente inúteis.
O Developer and University of Michigan exibe um painel transparente sem moldura. Fonte: YouTube / Universidade Estadual do Michigan
Para “capturar” fótons de luz e transformá-los em eletricidade, o painel solar, em princípio, não pode ser transparente, mas o novo material transparente pode absorver a radiação UV e IR, convertendo tudo na faixa de infravermelho e removendo-a nas bordas do painel. Nas bordas do painel transparente, painéis fotovoltaicos de silício comuns são instalados como uma moldura, que captam a luz que é extraída na faixa de infravermelho e geram eletricidade. O sistema funciona apenas com uma eficiência de 1-3% ... A eficiência média dos painéis solares modernos é de 20%.
Apesar da eficácia mais do que duvidosa da solução, o famoso fabricante de relógios TAG Heuer anunciou em 2014 o tag tag phone Tag Heuer Meridiist Infinite, em que um painel solar transparente fabricado pela Wysis foi instalado na parte superior da tela. Mesmo durante o anúncio da solução para smartphones, a Wysis prometeu a energia de uma carga solar de cerca de 5 mW com 1 cm2 de tela, o que é extremamente pequeno. Por exemplo, isso é apenas 0,4 W para a tela do iPhone X. Como o adaptador completo do smartphone Apple é criticado por uma potência indecentemente baixa de 5 W, é claro que você não pode carregá-lo com 0,4 W.
A propósito, ele não funcionou com metanol, mas as células de combustível de hidrogênio receberam um ingresso para a vida, tornando-se a base do carro elétrico Toyota Mirai e das usinas móveis da Toshiba.
E o que aconteceu: experimentos bem-sucedidos com Li-Ion
O sucesso foi alcançado por aqueles que não se apressaram em mudar o mundo a qualquer custo, mas simplesmente trabalharam para melhorar as características individuais das baterias. A alteração do material do cátodo afeta muito a tensão, intensidade de energia e vida útil da bateria. A seguir, falaremos sobre os desenvolvimentos habituais que mais uma vez confirmam a universalidade da tecnologia de íons de lítio - para cada desenvolvimento "revolucionário", existe um análogo existente mais eficiente e barato.
Cobalto de lítio (LiCoO2 ou LCO). Tensão operacional: 3,6 V, consumo de energia de até 200 W · h / kg, tempo de vida útil de até 1000 ciclos. Ânodo de grafite, cátodo de óxido de cobalto e lítio, bateria clássica descrita acima. Essa combinação é mais frequentemente usada em baterias para equipamentos móveis, onde é necessário alto consumo de energia por unidade de volume.
Manganês de lítio (LiMn2O4 ou LMO). Tensão operacional: 3,7 V, consumo de energia de até 150 W · h / kg, tempo de vida útil de até 700 ciclos. A primeira composição alternativa eficaz foi desenvolvida mesmo antes do início das vendas de baterias de íon-lítio, como tal. No cátodo, foi utilizado espinélio de lítio-manganês, o que possibilitou reduzir a resistência interna e aumentar significativamente a corrente de saída. As baterias de lítio-manganês são usadas em equipamentos atuais exigentes, como ferramentas elétricas.
Lítio-níquel-manganês-cobalto (LiNiMnCoO2 ou NMC). Tensão operacional: 3,7 V, consumo de energia de até 220 W · h / kg, tempo de vida útil de até 2000 ciclos. A combinação de níquel, manganês e cobalto resultou muito bem-sucedida, as baterias aumentaram a intensidade de energia e a potência da corrente fornecida. Nos mesmos "bancos", a capacidade do 18650 subiu para 2800 mAh e a corrente máxima de saída foi de 20 A. As baterias NMC são instaladas na maioria dos veículos elétricos, às vezes diluindo-as com células de lítio-manganês, uma vez que essas baterias têm uma vida útil longa.
O novo carro elétrico com bateria NMC, Nissan Leaf, de acordo com os cálculos do fabricante, viverá 22 anos. A bateria LMO anterior tinha menos capacidade e se esgotou muito mais rapidamente. Fonte: Nissan
Fosfato de ferro e lítio (LiFePO4 ou LFP). Tensão operacional: 3,3 V, consumo de energia de até 120 W · h / kg, tempo de vida útil de 2000 ciclos. Descoberta em 1996, a composição ajudou a aumentar a amperagem e o ciclo de vida das baterias de íon de lítio até 2000 cargas. As baterias de fosfato de lítio são mais seguras que seus antecessores, suportam melhor a sobrecarga. Isso é apenas a intensidade de energia que não é adequada para equipamentos móveis - quando a tensão é aumentada para 3,2 V, a intensidade de energia é reduzida em pelo menos metade em relação à composição lítio-cobalto. Por outro lado, o LFP mostra menos autodescarga e há uma resistência especial a baixas temperaturas.
Uma matriz de células de fosfato de lítio com uma capacidade total de 145,6 kWh. Tais matrizes são usadas para armazenar com segurança energia de painéis solares. Fonte: Yo-Co-Man / Wikimedia
Óxido de níquel-cobalto-alumínio e lítio (LiNiCoAlO2 ou NCA). Tensão operacional: 3,6 V, consumo de energia de até 260 W · h / kg, tempo de vida de até 500 ciclos. Muito semelhante a uma bateria NMC, possui excelente consumo de energia, adequado para a maioria dos equipamentos com tensão nominal de 3,6 V, mas o alto custo e a vida útil modesta (cerca de 500 ciclos de carga) não permitem que as baterias NCA derrotem os concorrentes. Até agora, eles são usados apenas em alguns veículos elétricos.
Confronto do Santo dos Santos - célula de bateria elétrica Tesla Modelo S NCA
Titanato de lítio (Li4Ti5O12 ou SCiB / LTO). Tensão operacional: 2,4 V, consumo de energia de até 80 W · h / kg, tempo de vida útil de até 7000 ciclos (SCiB: até 15.000 ciclos). Um dos tipos mais interessantes de baterias de íons de lítio nas quais o ânodo consiste em nanocristais de titanato de lítio. Os cristais ajudaram a aumentar a área de superfície do ânodo de 3 m2 / g em grafite para 100 m2 / g, ou seja, mais de 30 vezes! A bateria de titânio e lítio carrega até a capacidade total cinco vezes mais rápido e fornece corrente dez vezes maior que as outras baterias. No entanto, as baterias de titânio e lítio têm suas próprias nuances que limitam o escopo das baterias. Ou seja, baixa voltagem (2,4 V) e consumo de energia são 2-3 vezes menores do que outras baterias de íons de lítio. Isso significa que, para atingir uma capacidade semelhante, a bateria de titânio e lítio deve ser aumentada várias vezes, e é por isso que você não pode inseri-la no mesmo smartphone.
Módulo Toshiba SCiB com capacidade de 45 Ah, tensão nominal 27,6 V e corrente de descarga 160 A (pulso até 350 A). Pesa 15 kg e o tamanho de uma caixa de sapatos: 19x36x12 cm Fonte: Toshiba
Mas as baterias de titânio e lítio entraram imediatamente no transporte, onde é importante o carregamento rápido, altas correntes durante a aceleração e resistência ao frio. Por exemplo, carros elétricos Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV e em ônibus elétricos de Moscou! No início do projeto, os ônibus de Moscou usavam um tipo diferente de bateria, o que causava problemas mesmo no meio da primeira passagem ao longo da rota, mas depois de instalar as baterias Toshiba de titânio e lítio, não havia mais mensagens sobre ônibus elétricos descarregados. As baterias Toshiba SCiB, graças ao uso de titânio-nióbio no ânodo, restauram até 90% da capacidade em apenas 5 minutos - o tempo permitido para o ônibus estacionar na parada final, onde há uma estação de carregamento. O número de ciclos de carregamento que uma bateria SCiB pode suportar excede 15.000.
Teste de vazamento de bateria de titanato de lítio da Toshiba. Vai pegar fogo ou não?
Singularidade energética
Por mais de meio século, a humanidade sonha em colocar energia atômica em baterias, o que forneceria eletricidade por muitos anos. De fato, em 1953, foi inventado um elemento betavoltaico, no qual, como resultado do decaimento beta de um isótopo radioativo, os elétrons convertiam os átomos dos semicondutores em íons, criando uma corrente elétrica. Essas baterias são usadas, por exemplo, em marca-passos.
E os smartphones? Nada até agora, o poder dos elementos atômicos é insignificante, é medido em miliwatts e até microwatts. Você pode comprar essa bateria mesmo em uma loja on-line, no entanto, mesmo o notório relógio de pulso não funcionará com ela.
Quanto tempo esperar pelas baterias atômicas? Por favor, City Labs P200 - 2,4 V, 20 anos de serviço, no entanto, a potência é de até 0,0001 W e o preço é de cerca de US $ 8000. Fonte: City Labs
Mais de 10 anos se passaram desde a invenção de baterias de íon-lítio estáveis até o início de sua produção em massa. Talvez uma das últimas notícias sobre uma fonte de energia inovadora se torne profética e, na década de 2030, nos despediremos do lítio e da necessidade de carregar diariamente os telefones. Mas, por enquanto, são as baterias de íon-lítio que determinam o progresso no campo de eletrônicos portáteis e veículos elétricos.