Uma bateria de íons de lítio ou bateria de íons de lítio (abreviada como LIB) é um tipo de bateria recarregável.As baterias de íons de lítio são comumente usadas para eletrônicos portáteis e veículos elétricos e estão crescendo em popularidade para aplicações militares e aeroespaciais.Um protótipo de bateria de íons de lítio foi desenvolvido por Akira Yoshino em 1985, com base em pesquisas anteriores de John Goodenough, M. Stanley Whittingham, Rachid Yazami e Koichi Mizushima durante os anos 1970-1980, e então uma bateria comercial de íons de lítio foi desenvolvida por um A equipe da Sony e Asahi Kasei liderada por Yoshio Nishi em 1991. Em 2019, o Prêmio Nobel de Química foi concedido a Yoshino, Goodenough e Whittingham “pelo desenvolvimento de baterias de íons de lítio”.

Nas baterias, os íons de lítio se movem do eletrodo negativo através de um eletrólito para o eletrodo positivo durante a descarga e de volta ao carregar.As baterias de íons de lítio usam um composto de lítio intercalado como material no eletrodo positivo e normalmente grafite no eletrodo negativo.As baterias têm alta densidade de energia, sem efeito de memória (além das células LFP) e baixa auto-descarga.No entanto, eles podem ser um risco à segurança, pois contêm eletrólitos inflamáveis ​​e, se danificados ou carregados incorretamente, podem causar explosões e incêndios.A Samsung foi forçada a recolher os aparelhos Galaxy Note 7 após incêndios de íons de lítio, e houve vários incidentes envolvendo baterias em Boeing 787s.

As características de química, desempenho, custo e segurança variam entre os tipos de LIB.Os eletrônicos portáteis utilizam principalmente baterias de polímero de lítio (com um gel de polímero como eletrólito) com óxido de lítio-cobalto (LiCoO2) como material catódico, que oferece alta densidade de energia, mas apresenta riscos de segurança, principalmente quando danificado.Fosfato de ferro-lítio (LiFePO4), óxido de manganês de lítio (LiMn2O4, Li2MnO3 ou LMO) e óxido de cobalto de manganês e níquel de lítio (LiNiMnCoO2 ou NMC) oferecem menor densidade de energia, mas vida útil mais longa e menor probabilidade de incêndio ou explosão.Essas baterias são amplamente utilizadas para ferramentas elétricas, equipamentos médicos e outras funções.NMC e seus derivados são amplamente utilizados em veículos elétricos.

As áreas de pesquisa para baterias de íons de lítio incluem prolongar a vida útil, aumentar a densidade de energia, melhorar a segurança, reduzir custos e aumentar a velocidade de carregamento, entre outras.Pesquisas estão em andamento na área de eletrólitos não inflamáveis ​​como um caminho para aumentar a segurança com base na inflamabilidade e volatilidade dos solventes orgânicos usados ​​no eletrólito típico.As estratégias incluem baterias aquosas de íons de lítio, eletrólitos sólidos cerâmicos, eletrólitos poliméricos, líquidos iônicos e sistemas fortemente fluorados.

Bateria versus célula

Uma célula é uma unidade eletroquímica básica que contém os eletrodos, o separador e o eletrólito.

Uma bateria ou bateria é uma coleção de células ou conjuntos de células, com caixa, conexões elétricas e possivelmente eletrônicos para controle e proteção.

Eletrodos anódicos e catódicos
Para células recarregáveis, o termo ânodo (ou eletrodo negativo) designa o eletrodo onde ocorre a oxidação durante o ciclo de descarga;o outro eletrodo é o cátodo (ou eletrodo positivo).Durante o ciclo de carga, o eletrodo positivo se torna o ânodo e o eletrodo negativo se torna o cátodo.Para a maioria das células de íons de lítio, o eletrodo de óxido de lítio é o eletrodo positivo;para células de íons de lítio de titanato (LTO), o eletrodo de óxido de lítio é o eletrodo negativo.

História

Fundo

Bateria de iões de lítio Varta, Museum Autovision, Altlussheim, Alemanha
As baterias de lítio foram propostas pelo químico britânico e co-recipiente do prêmio Nobel de química de 2019 M. Stanley Whittingham, agora na Universidade de Binghamton, enquanto trabalhava para a Exxon na década de 1970.Whittingham usou sulfeto de titânio (IV) e metal de lítio como eletrodos.No entanto, esta bateria de lítio recarregável nunca poderia ser praticada.O dissulfeto de titânio foi uma escolha ruim, uma vez que tem que ser sintetizado sob condições completamente seladas, também sendo bastante caro (~ $ 1.000 por quilograma de matéria-prima de dissulfeto de titânio na década de 1970).Quando exposto ao ar, o dissulfeto de titânio reage para formar compostos de sulfeto de hidrogênio, que têm um odor desagradável e são tóxicos para a maioria dos animais.Por esta e outras razões, a Exxon descontinuou o desenvolvimento da bateria de dissulfeto de lítio-titânio de Whittingham.[28]As baterias com eletrodos metálicos de lítio apresentaram problemas de segurança, pois o lítio metálico reage com a água, liberando gás hidrogênio inflamável.Consequentemente, a pesquisa passou a desenvolver baterias nas quais, em vez de lítio metálico, apenas compostos de lítio estejam presentes, sendo capazes de aceitar e liberar íons de lítio.

A intercalação reversível em grafite e a intercalação em óxidos catódicos foi descoberta durante 1974-76 por JO Besenhard na TU Munich.Besenhard propôs sua aplicação em células de lítio.A decomposição de eletrólitos e a cointercalação de solventes em grafite foram desvantagens iniciais severas para a vida útil da bateria.

Desenvolvimento

1973 – Adam Heller propôs a bateria de cloreto de tionila de lítio, ainda usada em dispositivos médicos implantados e em sistemas de defesa onde são necessárias uma vida útil superior a 20 anos, alta densidade de energia e/ou tolerância a temperaturas operacionais extremas.
1977 – Samar Basu demonstrou a intercalação eletroquímica de lítio em grafite na Universidade da Pensilvânia.Isso levou ao desenvolvimento de um eletrodo de grafite intercalado de lítio viável na Bell Labs (LiC6) para fornecer uma alternativa à bateria de eletrodo de metal de lítio.
1979 – Trabalhando em grupos separados, Ned A. Godshall et al., e, logo depois, John B. Goodenough (Universidade de Oxford) e Koichi Mizushima (Universidade de Tóquio), demonstraram uma célula de lítio recarregável com voltagem na faixa de 4 V usando lítio dióxido de cobalto (LiCoO2) como eletrodo positivo e lítio metálico como eletrodo negativo.Essa inovação forneceu o material de eletrodo positivo que permitiu as primeiras baterias de lítio comerciais.LiCoO2 é um material de eletrodo positivo estável que atua como um doador de íons de lítio, o que significa que pode ser usado com um material de eletrodo negativo diferente do lítio metálico.Ao permitir o uso de materiais de eletrodos negativos estáveis ​​e fáceis de manusear, o LiCoO2 permitiu novos sistemas de baterias recarregáveis.Godshall et al.identificou ainda o valor semelhante de compostos ternários de óxidos de metal de transição de lítio, como o espinélio LiMn2O4, Li2MnO3, LiMnO2, LiFeO2, LiFe5O8 e LiFe5O4 (e mais tarde materiais de cátodo de óxido de cobre de lítio e óxido de lítio-níquel em 1985)
1980 – Rachid Yazami demonstrou a intercalação eletroquímica reversível de lítio em grafite, e inventou o eletrodo de grafite de lítio (ânodo).Os eletrólitos orgânicos disponíveis na época se decomporiam durante o carregamento com um eletrodo negativo de grafite.Yazami usou um eletrólito sólido para demonstrar que o lítio poderia ser reversivelmente intercalado em grafite por meio de um mecanismo eletroquímico.A partir de 2011, o eletrodo de grafite de Yazami foi o eletrodo mais comumente usado em baterias comerciais de íons de lítio.
O eletrodo negativo tem sua origem no PAS (material semicondutor poliacênico) descoberto por Tokio Yamabe e posteriormente por Shjzukuni Yata no início dos anos 80.A semente dessa tecnologia foi a descoberta de polímeros condutores pelo professor Hideki Shirakawa e seu grupo, e também pode ser vista como tendo começado a partir da bateria de íon-lítio de poliacetileno desenvolvida por Alan MacDiarmid e Alan J. Heeger et al.
1982 – Godshall et al.receberam a patente US 4.340.652 para o uso de LiCoO2 como cátodos em baterias de lítio, com base no doutorado da Universidade de Stanford de Godshall.dissertação e publicações de 1979.
1983 – Michael M. Thackeray, Peter Bruce, William David e John Goodenough desenvolveram um espinélio de manganês como um material catódico carregado comercialmente relevante para baterias de íons de lítio.
1985 – Akira Yoshino montou um protótipo de célula usando material carbonáceo no qual íons de lítio poderiam ser inseridos como um eletrodo e óxido de lítio-cobalto (LiCoO2) como o outro.Isso melhorou drasticamente a segurança.O LiCoO2 possibilitou a produção em escala industrial e possibilitou a bateria comercial de íons de lítio.
1989 – Arumugam Manthiram e John B. Goodenough descobriram a classe de poliânions de cátodos.Eles mostraram que eletrodos positivos contendo poliânions, por exemplo, sulfatos, produzem voltagens mais altas do que óxidos devido ao efeito indutivo do poliânion.Esta classe de poliânions contém materiais como fosfato de ferro e lítio.

<continua...>