Melhorando o desempenho da bateria através da química

[ * O título do artigo é uma alusão ao nome do primeiro álbum de estúdio de Fatboy Slim, "Better Living Through Chemistry" / aprox. perev. ]



Uma bateria de chumbo-ácido não pode ser chamada de milagre da engenharia moderna. É muito confiável, fácil de usar e, para carregá-lo, basta aplicar uma tensão fixa e esperar um pouco; Como resultado, a bateria carrega e permanece totalmente carregada - é tudo. Do outro lado dessa simplicidade estão o tamanho, peso, densidade de energia e toxicidade dos materiais.

Uma bateria de lítio é um sucesso moderno, no entanto, sua alta densidade de energia leva ao fato de que sua pequena caixa pode ficar com raiva e se tornar muito perigosa se maltratada. Os cientistas estão procurando opções de bateria mais seguras, sistemas de carregamento aprimorados, fórmulas para prolongar a vida útil da bateria que pode ser recarregada milhares de vezes e uma publicação recente causou muitas respostas entusiasmadas.

Considere os requisitos para a célula da bateria em um veículo elétrico:

• Alta densidade de energia (grande quantidade de energia em uma bateria pequena).
• Possibilidade de cobrança rápida.
• Possibilidade de descarga rápida.
• MUITOS ciclos de carga / descarga.
• Baixa descarga automática.
• Segurança

No momento, as baterias de íon-lítio são a melhor opção, mas há muitas reações químicas com o lítio e, dependendo do uso planejado, balanceamento e carregamento, você pode otimizar várias opções de reação para diferentes características de desempenho. Embora não haja bateria perfeita, e solicitações conflitantes garantem a disponibilidade de várias opções no mercado.

Como funciona o lítio + íon

Descarregar uma bateria de iões de lítio

Todas as baterias funcionam da mesma maneira. Existem três componentes: ânodo, cátodo e eletrólito. Uma reação química entre um eletrólito e eletrodos (ânodo e cátodo) cria íons próximos a um eletrodo e elétrons próximos a outro, resultando em uma diferença de potencial. Pares de eletrodos são feitos de diferentes materiais. O ânodo é ligado à grafite ao cobre, e o cátodo é um cristal de lítio ligado ao alumínio. O eletrólito funciona como um isolador; portanto, é mais fácil para os elétrons passarem de um eletrodo para outro através de um circuito do que dentro da bateria. No final da reação, a bateria descarrega e a reação não será mais se os elétrons não tiverem para onde ir. Para carregar a bateria, o processo é revertido e a tensão fornecida ao eletrólito inicia a reação na direção oposta. Nem todos os eletrólitos são criados iguais; A química da bateria, que não pode ser recarregada, permite armazenar mais energia, mas a aplicação de tensão reversa nela não inicia a reação química de volta.

As capacidades da bateria são melhor reveladas pelo aumento da área de superfície dos eletrodos, por isso é melhor fazer um sanduíche com o ânodo, eletrólito e cátodo o mais fino possível e com uma área de contato maior. O sanduíche também inclui várias fatias de outros materiais porosos que permitem a passagem de íons, mas impedem a migração de materiais. Pegue alguns sanduíches da bateria e empilhe-os, alternando com divisores. O resultado é uma bateria descarregada (uma célula barata em uma caixa de prata) ou uma bateria prismática (uma bateria da moda que você não encontrará em um laptop) ou se você girar tudo em um tubo - uma bateria cilíndrica (por exemplo, 18650 ou AA) .

Bateria de milhões de milhas

Você já deve ter lido as notícias de que Tesla promete lançar uma bateria que dura um milhão de quilômetros. O trabalho real foi realizado por um grupo de pesquisadores da Universidade de Dalhousie em Halifax (Canadá), sob um contrato com a Tesla, no entanto, eles realizaram muitos testes em várias baterias de íons de lítio para encontrar a melhor combinação de elementos químicos, bem como perfis de uso e carregamento. Uma bateria de milhões de milhas é apenas uma armadilha de marketing que descreve pesquisas que otimizam as fórmulas químicas das baterias para aumentar sua vida útil. O trabalho em si é cheio de jargões técnicos , então estudei a questão das baterias durante todo o fim de semana para fazer uma seleção.

A primeira coisa que vale a pena observar em relação à fórmula de “um milhão de milhas” - não é típica do comportamento da maioria dos motoristas de hoje, proprietários de carros comuns que dirigem para o trabalho e para casa. Os cientistas visaram esse uso do carro, que envolve viagens constantes e carregamento da bateria após uma descarga quase completa. Esta situação é adequada para caminhões, táxis e ônibus. Eles usam o termo 100% DOD, ou seja, “Profundidade de descarga” é quando a bateria é usada até a parada e só então é carregada, ao contrário de, por exemplo, um smartphone que é carregado todas as noites, independentemente do estado da bateria.

O que veio à luz: baterias como frias; novas fórmulas quentes

Eles descobriram que a temperatura é muito importante. Uma bateria que funcionou a maior parte de sua vida a 20 ºC durará mais do que uma bateria que funcionou a 40 ºC; no entanto, as baterias que operam em altas temperaturas e depois caem em condições baixas perdem a capacidade na mesma velocidade que as baterias que sempre operam em baixas temperaturas. Em outras palavras, em alta temperatura, a bateria perde capacidade mais rapidamente, e em baixa temperatura, não tão rápida, e qualquer bateria pode se mover para frente e para trás neste gráfico sem nenhum efeito de memória. Temperaturas mais baixas fornecem uma taxa mais baixa de degradação no nível molecular - menos rachaduras, dendritos, bolsas de gás, etc. Eles se apoiaram muito em como é importante manter tudo em baixa temperatura.

Em experimentos anteriores, os pesquisadores passaram muito tempo estudando outras combinações de elementos químicos, mas se estabeleceram nos eletrodos de grafite NMC532 (como a maioria da comunidade científica). Em química, NMC532 é outro nome para LiNi _0,5 Mn _0,3 Co _0,2 O ₂ . Em termos simples, isso significa que o cátodo é composto principalmente de cristais de lítio, com a adição de uma pequena quantidade de níquel, manganês, cobalto e oxigênio, e o ânodo consiste em grafite (embora estudos de grafeno pareçam promissores).

No entanto, a característica NMC532 / grafite não é exaustiva para a bateria. Também é necessário indicar o eletrólito. Um eletrólito é uma mistura de LiPF ₆ , solventes e aditivos, com nomes ridículos demais para serem falados em voz alta - como carbonato de dimetila ou sulfato de etileno. Neste trabalho, eles testaram várias combinações de solventes. Os aditivos também podem afetar o desempenho da célula, aumentando a taxa de carga / descarga, diminuindo o tempo de vida útil ou vice-versa. Com base em estudos anteriores, eles realmente gostaram das duas fórmulas de suplementos (2% FEC + 1% LFO e 2% VC + 1% DTD), embora tenham percebido que se comportam de maneira diferente em diferentes temperaturas e sugeriram a escolha de aditivos de acordo com o objetivo aplicação. Na fabricação de baterias, os componentes secos são geralmente fabricados primeiro, aos quais é adicionado eletrólito líquido (a Sparkfun fez um artigo detalhado descrevendo o processo de produção).

Ao escolher uma fórmula especial e manter uma temperatura operacional baixa, os pesquisadores conseguiram minimizar as duas principais causas de degradação da bateria; perda de lítio e aumento da impedância. Em média, com o tempo, os íons de lítio, movendo-se aqui e ali, sobem em lugares que não lhes permitem trabalhar. Eles podem ser eletricamente isolados, agrupados em placas, dendritos e filmes de superfície, reagir com outros componentes da célula e não participar da carga e descarga. Os dendritos são especialmente prejudiciais - esses cristais na forma de agulhas de lítio afiadas podem perfurar os separadores e causar um curto-circuito na célula, que então esquenta e leva a uma reação autossustentável e, eventualmente, a uma explosão. A impedância aumenta devido à corrosão dos eletrodos e à perda de área útil da superfície, devido a reações químicas, rachaduras ou a formação de uma camada superficial resistiva que bloqueia o eletrodo.


Métodos de degradação da bateria. Existem muitos deles, mas, em essência, eles se resumem ao fato de que "os átomos se movem para onde não precisam"

Uma das razões pelas quais o estudo atraiu maior atenção foi o fato de ser escrupuloso e aberto. Foram necessários três anos para executar cada bateria em milhares de ciclos de carregamento e descarregamento, usando dispositivos de carregamento e descarregamento extremamente precisos que registram a capacidade da bateria - e tudo para obter os dados mais completos. Geralmente é bastante difícil medir o ciclo de vida da bateria no modo acelerado; As baterias estão sujeitas a velocidades mais altas de carregamento / descarregamento do que é necessário na vida normal e recebem menos tempo de recuperação. O fato de os pesquisadores gastarem tanto tempo em seu trabalho sugere resultados mais realistas. Eles também indicaram explicitamente:

Ao contrário dos relatórios que descrevem o uso de células comerciais, incluímos uma descrição completa de todos os detalhes de nossas baterias, incluindo a composição dos eletrodos, a composição do eletrólito, os aditivos utilizados etc. Isso é feito para que outras pessoas possam reproduzir essas células e usá-las para suas próprias verificações.

É bom para uma mudança ver um estudo com suporte comercial, publicado em domínio público e até sob uma licença Creative Commons.

Apesar da abertura do trabalho, provavelmente não veremos baterias de íon de lítio caseiras em um futuro próximo. Talvez vejamos uma transição gradual para as fórmulas propostas e gostaríamos de receber mais influência no resfriamento, pois isso aumenta significativamente a vida útil da bateria. Temos certeza de que, se você precisar de uma bateria, a Tesla poderá vendê-la em breve a partir de uma de suas gigafactories.