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Conheça a história e os principais tipos de baterias de lítio
As baterias de íons de lítio são incrivelmente populares nos dias de hoje. Você pode encontrá-las em dispositivos como notebooks, smartphones, drones, câmeras fotográficas, veículos elétricos, entre outros.
Quando aplicadas em indústrias ou residências, a bateria de íons de lítio é a tecnologia ideal para sistemas de energia solar fotovoltaica, carros elétricos, telecomunicações, alarmes e sistemas de segurança.
O bateria de lítio tem baixa manutenção ou, dependendo do modelo, é totalmente livre de manutenção. A bateria não tem memória e não precisa de exercício (descarga completa deliberada) para mantê-la em boa forma.
A autodescarga é menos da metade dos sistemas baseados em níquel, e isso ajuda no funcionamento e qualidade da bateria. É raro uma bateria de lítio apresentar defeito, apenas duas ou três baterias por um milhão apresentam algum problema.
Os primeiros passos da tecnologia íon de lítio
Os primeiros testes, pesquisas e desenvolvimento que envolviam o lítio no desenvolvimento de baterias começaram em 1912 pelas mãos do físico Gilbert Newton Lewis, mas demorou décadas para a bateria de lítio se tornar um produto extremamente seguro e comercial.
Apesar da iniciativa de Lewis, muitos pesquisadores contribuíram com a criação da tecnologia de íon de lítio. Na história é citada alguns nomes como M Stanley Whittingham, Adam Heller e Samar Basu.
Em 1979, na Universidade de Oxford, o professor John Goodenough descobriu que o lítio poderia ser usado em uma bateria recarregável capaz de armazenar energia.
John Goodenough contribuiu para o desenvolvimento das baterias de ions de lítio.
A descoberta só aconteceu porque Goodenough convidou o físico e pesquisador japonês Koichi Mizushima para visitar a Universidade de Oxford, onde trabalharam juntos e desenvolveram uma bateria de lítio óxido cobalto (LiCoO2).
Desde então, a tecnologia de íon de lítio evoluiu e permitiu que computadores e celulares se tornassem menores e mais poderosos. Hoje, as baterias de lítio alimentam praticamente todos os dispositivos portáteis, indústrias e sistemas de energia solar fotovoltaica, além de ser o principal componente de um carro elétrico, um dos segmentos que mais cresceu nos últimos anos.
Extração de lítio para produção de baterias
Com a inserção de novos produtos no mercado, como carros elétricos e sistemas de energia solar fotovoltaica, que ganharam força nos últimos anos e provavelmente se multiplicarão a partir de 2028, as empresas estão operando a todo valor para extrair maiores quantidades de lítio e atender a demanda do mercado.
O total de reservas de lítio do mundo é de 14.000.000 de toneladas métricas, de acordo com os dados mais recentes do Serviço Geológico dos Estados Unidos.
O lítio pode ser encontrado em grandes quantidades em diversos países, e alguns desses já estão produzindo em grande escala, enquanto outros não.
Em 2016, a Austrália produziu 14.300 toneladas de lítio, sendo a maior produção do mundo. O país detém mais de 2.000.000 de toneladas métricas de reservas de lítio e exporta a maior parte para a China como espodumênio, um tipo de mineral que contém o lítio.
No entanto, o Chile é o país com as maiores reservas de lítio com aproximadamente 7,5 milhões de toneladas dentro de suas fronteiras.
O Chile também detém a maior parte do lítio “economicamente extraível” do mundo, segundo o artigo do Financial Times.
O Chile é o segundo maior produtor mundial de lítio e a Argentina é o terceiro maior produtor de lítio do mundo. Sua produção aumentou em 2016, chegando a 5.700 toneladas.
Entenda como funciona o processo de extração de lítio
O lítio é o metal mais leve que existe encontrado em abundância em todo o mundo, mas frequentemente em locais de difícil acesso.
A produção comercial de lítio tem utilizado historicamente fontes minerais como o espodumênio, a petalita e a lepidolite.
Mas a extração do lítio a partir do método tradicional é significativamente mais cara do que o método de extração à base de solução salina, que é um processo relativamente novo.
Extração de lítio no Chile
De acordo com o site canadense Visual Capitalist, o custo para estruturar uma mina de lítio a partir do método de mineração de rochas duras pode custar até 40 milhões de dólares e levar cerca de quatro anos.
Um valor muito mais alto que o método da salmoura de lítio, que custa aproximadamente 10 milhões de dólares durante a fase de desenvolvimento e leva em média de 1 a 2 anos.
As salinas são reservatórios que contêm uma grande concentração de sais dissolvidos como lítio e sódio. Eles geralmente são encontrados sob a superfície de leitos ou em regiões com atividades vulcânicas.
Para extrair o lítio das salmouras, as águas são bombeadas para a superfície e para uma espécie de lagoa ou piscina de evaporação, onde a água evapora ao longo de vários meses.
O cloreto de lítio que é deixado nas lagoas necessita atingir a concentração ideal antes de ser bombeado para um reservatório de recuperação para remover qualquer boro ou magnésio.
É então tratado com carbonato de sódio para criar carbonato de lítio, que é filtrado e seco e, em seguida, está pronto para entrega.
Mas o carbonato de lítio ainda não é uma bateria. É apenas um pó branco que pode ser convertido em sais industriais ou lítio.
Os principais produtores, Chile e Argentina, assim como outros países como Rússia, China e Estados Unidos, utilizam o método de salinas para extração de lítio.
Os diferentes tipos de baterias de íon de lítio
Bateria de lítio ferrofosfato (LiFePO4)
Em 1996, pesquisadores da Universidade do Texas descobriram o fosfato como material catódico para baterias recarregáveis de lítio. Durante as pesquisas, o Li-fosfato ofereceu um bom desempenho eletroquímico com baixa resistência.
Isso foi possível por conta do material catódico de fosfato em escala nanométrica. Os principais benefícios são a alta classificação de corrente e o longo ciclo de vida, além de boa estabilidade térmica e maior segurança.
O Li-fosfato é mais tolerante a condições de carga total e é menos estressado do que outros sistemas de íons de lítio se mantido a alta tensão por um tempo prolongado.
Bateria de lítio óxido cobalto (LiCoO2)
Com alta densidade específica de energia, a lítio óxido cobalto é utilizada em smartphones, notebooks e câmeras digitais. A bateria consiste de um cátodo de óxido de cobalto e um ânodo de carbono de grafite.
O cátodo tem uma estrutura em camadas e durante a descarga, os íons de lítio se movem do ânodo para o cátodo.
A desvantagem do Li-cobalto é um tempo de vida relativamente curto, baixa estabilidade térmica e capacidade de carga limitada (potência específica).
Bateria de lítio óxido manganês (LiMn2O4)
A ideia de desenvolver uma bateria de lítio com espinélio de manganês foi publicada pela primeira vez no Materials Research Bulletin (Boletim de Pesquisa de Materiais) em 1983, uma publicação internacional que reporta pesquisas de alto impacto.
Em 1996, a Moli Energy comercializou uma célula de íons de lítio com óxido de manganês como material catódico.
A arquitetura forma uma estrutura de espinélio tridimensional que melhora o fluxo de íons no elétrodo, o que resulta em menor resistência interna e melhor manuseio de corrente.
Uma outra vantagem do espinélio é a alta estabilidade térmica e maior segurança, mas o ciclo e a vida útil são limitados.
A baixa resistência interna da célula permite o carregamento rápido e a descarga de alta corrente.
Bateria de lítio óxido níquel manganês cobalto (LiNiMnCoO2) – NMC
Um dos sistemas de íons de lítio mais bem-sucedidos é a combinação catódica de níquel manganês cobalto (NMC). Semelhante ao Li-manganês, esses sistemas podem ser adaptados para servir como células de energia (Alta capacidade de energia e longa duração).
O segredo do NMC reside na combinação de níquel e manganês. O níquel é conhecido por sua alta energia específica, mas baixa estabilidade. O manganês tem a vantagem de formar uma estrutura de espinélio para alcançar baixa resistência interna, mas oferece uma baixa energia específica.
As baterias NMC são utilizadas em ferramentas, bicicletas e motores elétricos. A combinação de cátodo é feita com um terço de níquel, um terço de manganês e um terço de cobalto.
A combinação entre níquel, manganês e cobalto, conhecida como 1-1-1, oferece uma mistura única que também reduz o custo da matéria-prima devido ao reduzido teor de cobalto, que é considerado um material de alto custo no processo de fabricação de uma bateria de lítio.
Outra combinação bem-sucedida é o NCM com 5 partes de níquel, 3 partes de cobalto e 2 partes de manganês (5-3-2).
Bateria de lítio níquel cobalto óxido de alumínio (LiNiCoAlO2)
A bateria de lítio níquel cobalto óxido de alumínio, ou NCA, existe desde 1999 é utilizada em aplicações especiais.
A bateria NCA tem características semelhantes a tecnologia NCM, oferecendo alta energia específica, capacidade razoavelmente boa e uma longa vida útil.
Vantagens e desvantagens das baterias de íons de lítio
Como qualquer outra tecnologia, as células e baterias de íon de lítio têm as suas vantagens e desvantagens.
Portanto, embora existam muitos tipos diferentes de células de íons de lítio, é possível descrever algumas das vantagens e desvantagens genéricas.
Alguns tópicos se encaixam somente nas baterias de lítio para aplicações de grande porte, sistemas e indústrias.
Principais vantagens:
- Vida útil longa
- Alta densidade energética
- Peso – Mais leve que as baterias chumbo-ácidas
- Ambientalmente amigável
- Sistema de gerenciamento de bateria (BMS)
- Menos sensitiva a altas temperaturas
- Baixa manutenção
- Auto-descarga
Principais desvantagens:
- Custo inicial alto
- Delicada – Não aceita sobrecargas como a chumbo-ácida
- Eletrólito pode ser inflamável
- Sistema de gerenciamento de bateria (BMS) de alto custo
- Janela de tensão operacional
- Material e custos de produção mais elevados
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