Materiais em pó nas baterias de lítio — você sabe quais são?

As baterias de lítio são compostas principalmente por ânodo, cátodo, separador, eletrólito, aglutinante, agente condutor, coletor de corrente e materiais de embalagem. De acordo com a classificação da forma do material, o ânodo, o cátodo, o aglutinante e o agente condutor são materiais em pó Em baterias de lítio. Alguns eletrólitos de estado sólido são materiais em pó, e alguns separadores modificados também contêm materiais em pó.

Eletrodo positivo

Os materiais comercializados para eletrodos positivos incluem óxido de lítio-cobalto (LiCoO2), óxido de lítio-manganês (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2) e fosfato de ferro-lítio (LiFePO4).

• Óxido de lítio-cobalto (LiCoO2)Sólido preto à temperatura ambiente. É um composto inorgânico conhecido por sua estabilidade, síntese simples, alto desempenho eletroquímico e longa vida útil. Foi o primeiro material catódico comercialmente bem-sucedido para baterias de íon-lítio e é usado principalmente em baterias 3C.
• Óxido de lítio e manganês (LiMn2O4)Um pó preto-acinzentado com estrutura cristalina cúbica do tipo espinélio. Contém três canais de transporte de íons de lítio, permitindo uma difusão iônica mais rápida. Isso o torna adequado para baterias de íons de lítio com alta taxa de carga.
• Material Ternário Positivo (LiNixMnyCozO2)Um material catódico ternário onde Ni e Mn substituem parcialmente o Co no LiCoO2. Ele herda a estabilidade do LiCoO2, a alta capacidade reversível do LiNiO2 e a segurança do LiMnO2. O menor teor de Co reduz os custos, tornando-o um material catódico promissor.
• Fosfato de ferro-lítio (LiFePO4)Com estrutura de olivina, não contém elementos caros como cobalto ou níquel. É econômico, com matérias-primas abundantes. Possui tensão de operação moderada (3,2 V), alta capacidade específica (170 mAh/g), grande potência de descarga, capacidade de carregamento rápido e longa vida útil.

Eletrodo negativo

Os materiais comuns para eletrodos negativos incluem grafite, carbono duro, carbono macio, titanato de lítio e materiais à base de silício. A grafite é o mais utilizado, e os materiais à base de silício apresentam o maior potencial.

• GrafiteComposto principalmente de grafite, possui alta condutividade, densidade energética, estabilidade química e baixo custo de fabricação. Está disponível em formas naturais e artificiais.
• Carbono duroÉ um carbono que não se grafita em altas temperaturas. Possui arranjos cristalinos internos desordenados e um grande espaçamento intercamadas, permitindo maior armazenamento de carga, o que aumenta a densidade de energia e a vida útil da bateria.
• Carbono macioEste material é facilmente grafitizado acima de 2500 °C. Possui alto grau de ordenação e proporciona uma tensão de carga/descarga baixa e estável. Oferece grande capacidade, alta eficiência e bom desempenho de ciclagem. Sua estrutura depende da temperatura de sinterização. Materiais de carbono macios preparados a temperaturas abaixo de 1000 °C apresentam um grande número de defeitos, proporcionando um grande número de sítios ativos para o armazenamento de lítio, o que é favorável à inserção e extração suaves de íons de lítio.
• Titanato de lítioUm pó branco com alta tensão de extração de íons de lítio (1,55 V vs Li/Li+). Possui alta segurança e propriedades de "deformação zero", garantindo mínima alteração estrutural durante a inserção e extração de íons de lítio. Isso oferece uma vida útil teórica ilimitada. Portanto, apresenta grande valor para pesquisa e perspectivas de aplicação comercial como material de eletrodo negativo para baterias de lítio de armazenamento de energia e potência.
• Materiais à base de silícioInclui nano-silício e subóxido de silício. Esses materiais são usados em ânodos de silício-carbono ou óxido de silício. Os ânodos à base de silício oferecem capacidade específica e densidade de energia muito maiores do que os materiais à base de carbono, tornando-os os materiais de ânodo mais promissores para a próxima geração.

Pastas

São utilizados aglutinantes como o fluoreto de polivinilideno (PVDF) e a borracha de estireno-butadieno (SBR). O PVDF pode ser usado tanto no ânodo quanto no cátodo, enquanto o SBR é normalmente usado no ânodo.

• Fluoreto de polivinilideno (PVDF)O PVDF possui excelente estabilidade química e resistência à corrosão. Resiste eficazmente ao efeito corrosivo dos solventes eletrolíticos. Oferece também boas propriedades de adesão, desempenho mecânico e processabilidade. A flexibilidade do PVDF garante que as substâncias ativas não se desprendam durante a expansão e a contração.
• Borracha de estireno-butadieno (SBR)O SBR é amplamente utilizado como aglutinante à base de água, especialmente em aglutinantes de ânodo, onde sua aplicação corresponde à patente 98%. Oferece forte adesão, estabilidade mecânica e facilidade de operação. Ajuda a unir as partículas e melhora a dinâmica da bateria, reduzindo a impedância e aprimorando a estabilidade de ciclagem.

Agentes Condutores

• Agentes condutores são utilizados para garantir um bom desempenho de carga/descarga, coletando microcorrentes e direcionando-as para o coletor de corrente (folha de alumínio ou cobre). Agentes condutores comuns incluem negro de fumo, fibras de carbono produzidas por deposição de vapor (VGCF) e nanotubos de carbono (CNT).
• Negro de carbonoCarbono amorfo, um pó preto fino e solto. É produzido pela combustão incompleta de substâncias orgânicas e tratamento a altas temperaturas para melhorar a condutividade e a pureza. É o agente condutor mais comumente usado em baterias de lítio, melhorando o contato entre as partículas e formando uma rede condutora.
• Fibras de carbono cultivadas a vapor (VGCF)Essas fibras possuem alto módulo de flexão e baixa expansão térmica. A adição de VGCF melhora a flexibilidade e a estabilidade mecânica, tornando-as adequadas para baterias de longa duração e alto desempenho, como as utilizadas em veículos elétricos.
• Nanotubos de carbono (CNT)A impedância dos CNTs é apenas metade da do negro de fumo. A baixa impedância proporciona boa condutividade, melhora a polarização e, consequentemente, o desempenho do ciclo. A quantidade de negro de fumo adicionada corresponde a cerca de 3% em relação ao peso do material do eletrodo positivo, enquanto a quantidade de CNTs adicionada é de apenas 0,8% a 1,5%. A baixa quantidade adicionada permite economizar espaço para materiais ativos, aumentando assim a densidade de energia. No entanto, os CNTs não são fáceis de dispersar. Atualmente, a indústria geralmente utiliza cisalhamento de alta velocidade, adição de dispersantes e dispersão eletrostática com esferas ultrafinas para processá-los.

Eletrólitos de estado sólido

Alguns eletrólitos de estado sólido também estão disponíveis em forma de pó:

• Dissulfeto de germânio de alta pureza (GeS2)Um pó branco com alta condutividade iônica, estabilidade química e longa vida útil. Pode atingir pureza de 99,99%.
• Óxido de lítio, lantânio e zircônio (LLZO)Este material possui excelente condutividade iônica (1,5×10⁻⁴ S/cm) e é utilizado na preparação de baterias de lítio de estado sólido. Pode ser sintetizado por sol-gel, combustão a baixa temperatura, microemulsão e outros métodos.
• Óxido de lítio, lantânio, zircônio e tântalo (LLZTO)Oferece alta condutividade iônica, estabilidade química e estabilidade térmica. Ao otimizar o processo de preparação e a estrutura cristalina, suas propriedades elétricas podem ser ainda mais aprimoradas para atender às necessidades de baterias de estado sólido de alto desempenho.

Outros pós de eletrólitos de estado sólido incluem sulfato de bário, cloreto de lítio, fósforo e enxofre (sulfeto de alta estabilidade) e sulfeto de lítio, germânio, fósforo e enxofre.

 Separador de bateria

Os separadores tradicionais apresentam baixa estabilidade em altas temperaturas, o que compromete a segurança. Para melhorar a segurança, os separadores são modificados com a adição de revestimentos em pó. Esses separadores modificados contêm materiais em pó.

• Óxido de alumínio (Al2O3)O óxido de alumínio é abundante na natureza, apresentando excelente inércia química, estabilidade térmica e propriedades mecânicas. É comumente utilizado em separadores cerâmicos para melhorar o desempenho geral dos separadores de poliolefina. Também é um pó inorgânico utilizado em grandes quantidades na modificação de diafragmas de baterias de lítio.
• Boehmita (AlOOH): A boehmita, também conhecida como óxido de alumínio monohidratado, é um tipo de óxido de alumínio com água de cristalização. É um precursor insubstituível de óxido de alumínio. A produção de AlOOH é mais fácil do que a de α-Al₂O₃. Na indústria, a suspensão de boehmita é obtida pelo método hidrotérmico da gibbsita e, em seguida, o pó ultrafino de AlOOH é obtido por filtração, secagem e trituração.
• Dióxido de titânio (TiO2)O TiO2 é atóxico, estável e de fácil controle em seu preparo. Ele melhora a estabilidade térmica do separador, a molhabilidade do eletrólito e reduz a impedância da interface, aprimorando assim o transporte de íons de lítio. É um bom material para modificar separadores de polímeros orgânicos.
• Dióxido de silício (SiO2)O SiO2 é um material de enchimento inorgânico comum usado para modificar polímeros. Sua grande área superficial e grupos hidroxila (Si-OH) melhoram a molhabilidade do separador, aumentam o transporte de íons de lítio e aprimoram o desempenho eletroquímico. O SiO2 também fortalece a resistência mecânica do separador e previne o crescimento de dendritos, reduzindo curtos-circuitos térmicos. Ao contrário do Al2O3, TiO2 e AlOOH, o SiO2 é mais fácil de controlar e modificar.

Pó Épico

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