A bateria de íon de lítio
O trabalho pioneiro com a bateria de lítio começou em 1912 sob GN Lewis, mas foi somente no início da década de 1970 que as primeiras baterias de lítio não recarregáveis se tornaram comercialmente disponíveis. o lítio é o mais leve de todos os metais, tem o maior potencial eletroquímico e fornece a maior densidade de energia para o peso.
As tentativas de desenvolver baterias recarregáveis de lítio falharam devido a problemas de segurança. Devido à instabilidade inerente do metal de lítio, especialmente durante o carregamento, a pesquisa mudou para uma bateria de lítio não metálica que utiliza íons de lítio. Embora a densidade de energia seja ligeiramente inferior à do metal de lítio, o íon de lítio é seguro, desde que certas precauções sejam seguidas ao carregar e descarregar. Em 1991, a Sony Corporation comercializou a primeira bateria de íons de lítio. Outros fabricantes seguiram o exemplo.
A densidade de energia do íon-lítio é normalmente duas vezes maior que a do níquel-cádmio padrão. Existe potencial para densidades de energia mais altas. As características de carga são razoavelmente boas e se comportam de forma semelhante ao níquel-cádmio em termos de descarga. A alta tensão da célula de 3,6 volts permite projetos de baterias com apenas uma célula. A maioria dos telefones celulares atuais funciona com um único celular. Um pacote à base de níquel exigiria três células de 12-volt conectadas em série.
A bateria de íon-lítio é uma bateria de baixa manutenção, uma vantagem que a maioria dos outros produtos químicos não pode reivindicar. Não há memória e nenhum ciclo programado é necessário para prolongar a vida útil da bateria. Além disso, a autodescarga é menos da metade em comparação com o níquel-cádmio, tornando o íon-lítio adequado para aplicações modernas de medidores de combustível. as células de íons de lítio causam poucos danos quando descartadas.
Apesar de suas vantagens gerais, o íon-lítio tem suas desvantagens. É frágil e requer um circuito de proteção para manter uma operação segura. Integrado em cada pacote, o circuito de proteção limita o pico de tensão de cada célula durante a carga e evita que a tensão da célula caia muito durante a descarga. Além disso, a temperatura da célula é monitorada para evitar temperaturas extremas. A corrente máxima de carga e descarga na maioria dos pacotes é limitada entre 1C e 2C. Com essas precauções em vigor, a possibilidade de ocorrência de revestimento metálico de lítio devido à sobrecarga é virtualmente eliminada.
O envelhecimento é uma preocupação para a maioria das baterias de íons de lítio e muitos fabricantes permanecem silenciosos sobre esse assunto. Alguma deterioração da capacidade é perceptível após um ano, esteja a bateria em uso ou não. A bateria falha frequentemente após dois ou três anos. Deve-se notar que outros produtos químicos também têm efeitos degenerativos relacionados à idade. Isto é especialmente verdadeiro para hidreto metálico de níquel se exposto a altas temperaturas ambientes. Ao mesmo tempo, sabe-se que os pacotes de íons de lítio duram cinco anos em algumas aplicações.
Os fabricantes estão constantemente melhorando o íon de lítio. Combinações químicas novas e aprimoradas são introduzidas a cada seis meses ou mais. Com um progresso tão rápido, é difícil avaliar até que ponto a bateria revista irá envelhecer.
O armazenamento em local fresco retarda o processo de envelhecimento do íon de lítio (e de outros produtos químicos). Os fabricantes recomendam temperaturas de armazenamento de 15 graus (59 graus F). Além disso, a bateria deve ser parcialmente carregada durante o armazenamento. O fabricante recomenda uma carga de 40%.
A bateria de íon de lítio mais econômica em termos de relação custo-energia é a cilíndrica 18650 (o tamanho é 18 mm x 65,2 mm). Esta célula é utilizada para computação móvel e outras aplicações que não exigem geometria ultrafina. Se for necessário um pacote fino, a célula prismática de íons de lítio é a melhor escolha. Essas células têm um custo mais alto em termos de energia armazenada.
Vantagens
Alta densidade energética – potencial para capacidades ainda maiores.
Não necessita de preparação prolongada quando novo. Uma cobrança regular é tudo o que é necessário.
Autodescarga relativamente baixa - a autodescarga é menos da metade da das baterias à base de níquel.
Baixa Manutenção – não é necessária descarga periódica; não há memória.
Células especiais podem fornecer corrente muito alta para aplicações como ferramentas elétricas.
Limitações
Requer circuito de proteção para manter a tensão e a corrente dentro de limites seguros.
Sujeito ao envelhecimento, mesmo que não esteja em uso - o armazenamento em local fresco com 40% de carga reduz o efeito do envelhecimento.
Restrições de transporte – o envio de quantidades maiores pode estar sujeito a controle regulatório. Esta restrição não se aplica a baterias pessoais de mão.
Caro de fabricar - cerca de 40% mais caro do que o níquel-cádmio.
Não totalmente maduro – os metais e os produtos químicos estão em constante mudança.
A bateria de polímero de lítio
O polímero de lítio se diferencia dos sistemas de bateria convencionais no tipo de eletrólito utilizado. O projeto original, que remonta à década de 1970, utiliza um eletrólito de polímero sólido seco. Este eletrólito se assemelha a um filme plástico que não conduz eletricidade, mas permite a troca de íons (átomos ou grupos de átomos eletricamente carregados). O eletrólito polimérico substitui o tradicional separador poroso, que é embebido em eletrólito.
O design do polímero seco oferece simplificações em relação à fabricação, robustez, segurança e geometria de perfil fino. Com uma espessura de célula medindo apenas um milímetro (00,039 polegadas), os projetistas de equipamentos são deixados à própria imaginação em termos de forma, formato e tamanho.
Infelizmente, o polímero de lítio seco sofre de fraca condutividade. A resistência interna é muito alta e não pode fornecer as rajadas de corrente necessárias para alimentar dispositivos de comunicação modernos e acelerar os discos rígidos dos equipamentos de computação móvel. Aquecer a célula a 60 graus (140 graus F) ou mais aumenta a condutividade, um requisito inadequado para aplicações portáteis.
Para chegar a um acordo, foi adicionado um pouco de eletrólito gelificado. As células comerciais utilizam uma membrana separadora/eletrólito preparada a partir do mesmo separador poroso tradicional de polietileno ou polipropileno preenchido com um polímero, que gelifica ao ser preenchido com o eletrólito líquido. Assim, as células comerciais de polímero de íon-lítio são muito semelhantes em química e materiais às suas contrapartes de eletrólito líquido.
O polímero de íon-lítio não se popularizou tão rapidamente quanto alguns analistas esperavam. Sua superioridade sobre outros sistemas e baixos custos de fabricação não foram concretizados. Não foram alcançadas melhorias nos ganhos de capacidade - na verdade, a capacidade é ligeiramente inferior à da bateria de iões de lítio padrão. O polímero de íon-lítio encontra seu nicho de mercado em geometrias finas, como baterias para cartões de crédito e outras aplicações semelhantes.
Vantagens
Perfil muito baixo – baterias que lembram o perfil de um cartão de crédito são viáveis.
Fator de forma flexível - os fabricantes não estão vinculados a formatos de células padrão. Com grande volume, qualquer tamanho razoável pode ser produzido economicamente.
Os eletrólitos gelificados leves permitem uma embalagem simplificada, eliminando o invólucro metálico.
Maior segurança – mais resistente a sobrecargas; menos chance de vazamento de eletrólito.
Limitações
Menor densidade de energia e diminuição da contagem de ciclos em comparação com íons de lítio.
Caro para fabricar.
Sem tamanhos padrão. A maioria das células é produzida para mercados consumidores de alto volume.
Relação custo-energia mais alta do que o íon de lítio
Restrições ao conteúdo de lítio para viagens aéreas
Os viajantes aéreos fazem a pergunta: "Quanto lítio posso levar a bordo em uma bateria?" Diferenciamos entre dois tipos de bateria: metal de lítio e íon de lítio.
A maioria das baterias de metal de lítio não são recarregáveis e são usadas em câmeras de filme. Os pacotes de íons de lítio são recarregáveis e alimentam laptops, telefones celulares e filmadoras. Ambos os tipos de bateria, incluindo pacotes sobressalentes, são permitidos como bagagem de mão, mas não podem exceder o seguinte conteúdo de lítio:
2 gramas para baterias de metal de lítio ou liga de lítio
8 gramas para baterias de íon de lítio
Baterias de íons de lítio com peso superior a 8 gramas, mas não superior a 25 gramas, podem ser transportadas na bagagem de mão se forem protegidas individualmente para evitar curtos-circuitos e estão limitadas a duas baterias sobressalentes por pessoa.
Como posso saber o conteúdo de lítio de uma bateria de íons de lítio?Do ponto de vista teórico, não existe lítio metálico em uma bateria típica de íons de lítio. Existe, no entanto, um teor equivalente de lítio que deve ser considerado. Para uma célula de íon de lítio, isso é calculado em 0,3 vezes a capacidade nominal (em amperes-hora).
Exemplo:Uma célula de íon-lítio 2Ah 18650 tem 0,6 gramas de conteúdo de lítio. Em uma bateria típica de laptop de 60 Wh com 8 células (4 em série e 2 em paralelo), isso soma 4,8g. Para ficar abaixo do limite de 8-gramas da ONU, a maior bateria que você pode levar é de 96 Wh. Este pacote pode incluir células de 2,2Ah em um arranjo de 12 células (4s3p). Se a célula de 2,4Ah fosse usada, o pacote precisaria ser limitado a 9 células (3s3p).
Restrições ao envio de baterias de íons de lítio
Qualquer pessoa que envie baterias de íon de lítio a granel é responsável por atender aos regulamentos de transporte. Isso se aplica a remessas nacionais e internacionais por terra, mar e ar.
As células de íons de lítio cujo conteúdo equivalente de lítio exceda 1,5 gramas ou 8 gramas por bateria devem ser enviadas como "materiais perigosos diversos Classe 9". A capacidade das células e o número de células em uma embalagem determinam o conteúdo de lítio.
A exceção é dada às embalagens que contenham menos de 8 gramas de lítio. Se, no entanto, uma remessa contiver mais de 24 células de lítio ou 12 baterias de íons de lítio, serão necessárias marcações especiais e documentos de remessa. Cada embalagem deve ser marcada informando que contém baterias de lítio.
Todas as baterias de íons de lítio devem ser testadas de acordo com as especificações detalhadas na ONU 3090, independentemente do conteúdo de lítio (Manual de Testes e Critérios da ONU, Parte III, subseção 38.3). Esta precaução protege contra o envio de baterias defeituosas.
As células e baterias devem ser separadas para evitar curto-circuitos e embaladas em caixas fortes.