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Melhorando o desempenho das baterias de íon de lítio com carbonos condutores

14/09/2021 pelo Dr. Michael Regula e Dr. Zachary Combs

Comercializadas pela primeira vez no início da década de 1990, as baterias de íon de lítio passaram a ser parte integrante da vida moderna. Dispositivos eletrônicos portáteis, como telefones celulares, laptops e ferramentas elétricas foram os primeiros a utilizar essa tecnologia. Nos últimos anos, o impulso para eletrificar o transporte pessoal acelerou a produção de veículos elétricos. As baterias para veículos elétricos devem atingir um desempenho rigoroso e métricas econômicas, incluindo o seguinte:

  • Segurança - As baterias devem ser capazes de carregar e descarregar sem curto-circuito e fuga térmica.
  • Densidade de energia - uma alta densidade de energia é necessária para atingir uma autonomia de condução comparável a um motor de combustão interna.
  • Carregamento rápido - uma taxa de carregamento rápida sem degradação do material é necessária para atingir tempos de abastecimento comparáveis ao abastecimento de um tanque de gasolina.
  • Ciclo de vida - Oferecer desempenho repetível em muitos ciclos melhora a economia e a sustentabilidade das baterias.
  • Custo - O custo de produção de uma bateria deve cair para menos de 100 dólares/kWh para atingir a paridade de preço com motores de combustão interna.

O armazenamento de carga em baterias de íon de lítio ocorre usando uma química exclusiva. Os materiais ativos em baterias de íon de lítio são tipicamente estruturas em camadas. Essas estruturas em camadas têm espaço suficiente entre elas para permitir a inserção de íons de lítio entre as camadas, um mecanismo conhecido como “intercalação”, conforme mostrado a seguir. A intercalação é um processo altamente reversível que permite que as baterias de íon de lítio forneçam alta densidade de energia por mais de milhares de ciclos. As baterias de íon de lítio, portanto, funcionam transportando o íon de lítio entre as estruturas em camadas do cátodo e dos materiais ativos do ânodo.

Energy Discharge Image

Uma extensa engenharia de materiais e desenvolvimento de formulação foram conduzidos para que as baterias de íon de lítio se tornassem um sucesso comercial. A formulação da bateria de íon de lítio normalmente consiste em três componentes: um material ativo, um aditivo condutor e um aglutinante. Apesar de representar menos de 5% em peso das formulações típicas de bateria de íon de lítio, o ativo condutor é criticamente importante para maximizar a densidade de energia e capacidade de taxa dos materiais ativos.

Os negros de fumo são os aditivos condutores mais amplamente usados porque podem produzir redes elétricas robustas nos eletrodos. Essas redes elétricas são mais bem alcançadas por negros de fumo, que têm uma estrutura alta e ramificações extensas. Ao revestir as partículas de material ativo e preencher o espaço intersticial no eletrodo com um negro de fumo condutor, a cinética das reações de intercalação do cátodo e do ânodo pode ser bastante melhorada. Na Birla Carbon, nossa experiência em microscopia nos permite visualizar o papel do negro de fumo nos eletrodos da bateria de íon de lítio, conforme mostrado na imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) abaixo.

Conductive Additives SEM Image

Além da estrutura e ramificação, a área de superfície do aditivo condutor também é importante considerar ao fazer seleções de materiais para formulações de bateria. Materiais com área de superfície mais alta geralmente têm mais locais de reação. Nos estágios iniciais do ciclo da bateria, os componentes do eletrólito líquido - o meio através do qual os íons de lítio se movem entre os eletrodos - degradam-se nesses locais de reação.

O eletrólito degradado forma uma película fina conhecida como interface de eletrólito sólido (SEI). Enquanto o lítio é perdido durante a formação do SEI, o SEI ionicamente conduz o lítio para os materiais ativos e protege as partículas do material ativo da degradação durante o ciclo. Se a camada SEI for muito espessa, entretanto, a difusão dos íons de lítio através do SEI pode ser prejudicada e afetar negativamente o desempenho da bateria. A estrutura e a ramificação do negro de fumo são geralmente as propriedades mais bem correlacionadas ao desempenho da bateria, mas a área de superfície também deve ser considerada para garantir um ciclo eficiente da bateria.

Os aditivos de negro de fumo condutores também podem ter um impacto significativo nas propriedades da formulação de ânodo e cátodo. Em formulações tradicionais de bateria de íon de lítio, onde o material ativo, o aditivo condutor e o aglutinante são misturados em uma pasta viscosa, o negro de fumo deve estar bem disperso nessa pasta. Os negros de fumo de alta estrutura demonstram uma dispersão mais fácil. A dispersibilidade do negro de fumo pode ter um efeito profundo na viscosidade e no carregamento de sólidos alcançável da pasta. Polpas com uma carga de sólidos mais alta usam menos solvente, o que pode melhorar muito a eficiência da produção da bateria.

A Birla Carbon desenvolveu novos aditivos condutores para uso em ânodos e cátodos para baterias de íon de lítio. Esses aditivos condutores incluem negros de fumo de alta estrutura e híbridos de nanotubo de carbono/negro de fumo que podem ultrapassar os limites de densidade de energia, densidade de potência, taxas de carregamento e ciclo de vida. As formulações com aditivos condutores da Birla Carbon também permitem maior eficiência de fabricação.

Entre em contato com EnergySystems@adityabirla.com para obter informações sobre nossos novos aditivos condutores para baterias de íon de lítio.

Dr. Michael Regula

O Dr. Michael Regula é engenheiro de sistemas de energia na Birla Carbon com foco principal no desenvolvimento e caracterização de novos produtos e processos para o mercado de armazenamento de energia. Os interesses de pesquisa e desenvolvimento incluem sintetizar e caracterizar aditivos condutores de carbono, incluindo nanomateriais e materiais ativos para baterias de íon de lítio e tecnologias de armazenamento de energia de próxima geração. Também está focado no desenvolvimento de métodos para definir relações únicas entre estrutura e propriedade para melhor projetar materiais de bateria. O Dr. Regula recebeu seu diploma de bacharel e doutorado em engenharia química pela Penn State University. Seus projetos de doutorado se concentraram no desenvolvimento de materiais ativos e eletrólitos para baterias de última geração à base de lítio.

Dr. Zachary Combs

Dr. Zachary Combs é o líder global de tecnologia para sistemas de energia na Birla Carbon. Ele tem mais de 8 anos de experiência na indústria de negro de fumo, com foco principal no desenvolvimento de novos produtos para o mercado de armazenamento de energia e extensa experiência anterior em indústrias de pneus e produtos mecânicos de borracha. Os interesses de pesquisa e desenvolvimento incluem a morfologia, modificação de superfície e microestrutura de negros de fumo e outros materiais de carbono avançados, e como essas características impactam as relações estrutura-propriedade de sistemas de armazenamento de energia. O Dr. Combs recebeu seu diploma de bacharel em química de polímeros pela Clemson University e seu PhD do Georgia Institute of Technology em ciência de materiais e engenharia com foco em síntese de nanopartículas e química de superfície.

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