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

As baterias de lítio são compostas principalmente por ânodo, cátodo, separador, eletrólito, ligante, agente condutor, coletor de corrente e materiais de embalagem. De acordo com a classificação da forma do material, o ânodo, o cátodo, o ligante 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 de eletrodo positivo comercializados incluem óxido de lítio-cobalto (LiCoO2), óxido de lítio-manganês (LiMn2O4), NCM (LiNixMnyCozO2) e Fosfato de ferro e 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 longo ciclo de vida. É o primeiro material catódico comercialmente bem-sucedido para baterias de íons de lítio e é usado principalmente em baterias 3C.
Óxido de lítio e manganês (LiMn2O4): Um pó preto-acinzentado com estrutura cristalina de espinélio cúbico. Contém três canais de transporte de íons de lítio, permitindo uma difusão mais rápida dos íons. Isso o torna adequado para baterias de íons de lítio de alta taxa de carga.
Material Ternário Positivo (LiNixMnyCozO2): Um material catódico ternário onde Ni e Mn substituem parcialmente Co em LiCoO2. Ele herda a estabilidade do LiCoO2, a alta capacidade reversível do LiNiO2 e a segurança do LiMnO2. O menor teor de Co reduz custos, tornando-o um material catódico promissor.
Fosfato de ferro e lítio (LiFePO4): Com estrutura de olivina, não contém elementos caros como Co ou Ni. É econômico e possui matérias-primas abundantes. Possui tensão de trabalho moderada (3,2 V), alta capacidade específica (170 mAh/g), grande poder 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. O grafite é o mais amplamente utilizado e os materiais à base de silício apresentam o maior potencial.

Grafite:Composto principalmente de grafite, possui alta condutividade, densidade energética, químico estabilidade e baixos custos de fabricação. Está disponível em formas naturais e artificiais.
Carbono Duro: É um carbono que não grafita em altas temperaturas. Possui arranjos cristalinos internos desordenados e um grande espaçamento entre camadas, permitindo maior armazenamento de carga, o que aumenta a densidade energética e a vida útil da bateria.
Carbono macio: Este material é facilmente grafitizado acima de 2500°C. Possui alto grau de ordem e proporciona uma tensão de carga/descarga baixa e estável. Oferece grande capacidade, alta eficiência e bom desempenho cíclico. Sua estrutura depende da temperatura de sinterização. Materiais de carbono macio preparados em temperaturas abaixo de 1000°C apresentam um grande número de defeitos, proporcionando um grande número de sítios ativos para armazenamento de lítio, o que favorece a inserção e extração suaves de íons de lítio.
Titanato de lítio: Um pó branco com alta voltagem de extração de íons de lítio (1,55 V vs. Li/Li+). Possui alta segurança e propriedades de "deformação zero", garantindo alteração estrutural mínima durante a inserção e extração de íons de lítio. Isso oferece um ciclo de vida teórico ilimitado. Portanto, possui grande valor de pesquisa e perspectivas de aplicação comercial como material de eletrodo negativo para armazenamento de energia e alimentação de baterias de lítio.
Materiais à base de silício: Inclui nano-silício e subóxido de silício. Esses materiais são usados em ânodos de silício-carbono ou óxido de silício. 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 de próxima geração mais promissores.

Ligantes

São utilizados ligantes como fluoreto de polivinilideno (PVDF) e 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 de solventes eletrolíticos. Também oferece boas propriedades de ligação, 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 ligante à base de água, especialmente em ligantes de ânodo, onde sua aplicação é responsável pelo 98%. Oferece forte adesão, estabilidade mecânica e facilidade de operação. Ajuda a unir partículas e melhora a dinâmica da bateria, reduzindo a impedância e melhorando a estabilidade do ciclo.

Agentes Condutores

Agentes condutores são usados 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 cultivadas a vapor (VGCF) e nanotubos de carbono (CNT).
Negro de Fumo: Um carbono amorfo que é um pó preto fino e solto. É produzido pela combustão incompleta de substâncias orgânicas e tratamento de alta temperatura 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 rendimento, como as utilizadas em veículos elétricos.
Nanotubos de carbono (NTC): A impedância do CNT é apenas metade da do negro de fumo. A baixa impedância proporciona boa condutividade, melhora a polarização e melhora o desempenho do ciclo. A quantidade de negro de fumo adicionada é de cerca de 3% do peso do material do eletrodo positivo, enquanto a quantidade de CNT adicionada é de apenas 0,8% a 1,5%. A baixa quantidade adicionada pode economizar espaço para materiais ativos, aumentando assim a densidade de energia. No entanto, o CNT não é fácil de dispersar. Atualmente, a indústria geralmente utiliza cisalhamento de alta velocidade, adição de dispersantes e dispersão eletrostática de esferas de moagem ultrafinas para processá-lo.

Eletrólitos de estado sólido

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

Dissulfeto de germânio de alta pureza (GeS2): 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 (1,5×10-4S/cm) e é utilizado na preparação de baterias de lítio de estado sólido. Pode ser sintetizado por sol-gel, combustão em baixa temperatura, microemulsão e outros métodos.
Óxido de tântalo, zircônio e lantânio de lítio (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 enxofre de fósforo e lítio (sulfeto de alta estabilidade) e sulfeto de enxofre de fósforo e lítio-germânio.

Separador de bateria

Os separadores tradicionais apresentam baixa estabilidade em altas temperaturas, o que afeta a segurança. Para aumentar 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 poliolefinas. É também o pó inorgânico utilizado em grandes quantidades na modificação de diafragmas de baterias de lítio.
Boemita (AlOOH): A boemita, também conhecida como óxido de alumínio monoidratado, é um tipo de óxido de alumínio com água cristalina. É um precursor insubstituível do óxido de alumínio. A produção de AlOOH é mais fácil do que a de α-Al2O3. Na indústria, a pasta de boemita é obtida pelo método hidrotérmico de gibbsita, e o pó ultrafino de AlOOH é obtido por filtragem, secagem e britagem.
Dióxido de titânio (TiO2): O TiO2 é atóxico, estável e fácil de controlar na preparação. Ele melhora a estabilidade térmica do separador, a molhabilidade do eletrólito e reduz a impedância da interface, melhorando assim o transporte de íons de lítio. É um bom material para modificar separadores de polímeros orgânicos.
Dióxido de silício (SiO2): SiO2 é uma carga inorgânica comum usada para modificar polímeros. Sua grande área superficial e grupos hidroxila (Si-OH) melhoram a molhabilidade do separador, aprimoram o transporte de íons de lítio e melhoram 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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