Química da Célula de Lítio

Tipos de baterias de lítio: Química da célula de lítio

Baterias de lítio LFP: a escolha certa para equipamentos de movimentação de materiais

O mercado atual de baterias industriais cresceu dramaticamente por meio da inovação e da adoção de novas tecnologias, como vários tipos de baterias de lítio de nova geração, células de combustível de hidrogênio e novas variações das antigas baterias de chumbo-ácido. Está cada vez mais difícil fazer a escolha certa, dada a variedade de tipos, marcas e modelos de equipamentos projetados para uma aplicação específica e um ambiente de trabalho e ritmo de operação específicos.

A equipe de engenharia da Dynamo Energy se concentrou nas células LFP de lítio como a melhor escolha para baterias de lítio industriais que alimentam equipamentos de movimentação de materiais e veículos elétricos off-road (empilhadeiras elétricas de Classe I, II e III; rebocadores; transportadores de pessoal e carga; varredores; depuradores; e plataformas aéreas). Usamos células de lítio LFP em baterias Dynamo Energy, que

fornecer o melhor desempenho do equipamento;
satisfazer os requisitos de aplicações exigentes e de alta potência;
exibem o maior ciclo de vida de uma bateria;
garantir o mais alto nível de segurança da operação e reduzir os custos de manutenção da operação.

As células de lítio recebem o nome da composição química do material do cátodo

As células são construídas de vários elementos, incluindo o cátodo, o ânodo, o eletrólito e a membrana. (Para saber mais, veja a página de design de células de lítio deste site.) O maior impacto nas especificações das baterias disponíveis comercialmente hoje é feito pela química dos materiais do cátodo. É por isso que as células de bateria são nomeadas de acordo com a composição química dos materiais usados no cátodo de uma célula de lítio.

Existem vários materiais de cátodo para escolher dentro do espaço da tecnologia Li-ion. O componente ativo mais conhecido do cátodo é o cobalto, amplamente usado em baterias para eletrônicos e EVs. Hoje, os fabricantes de baterias que usam cobalto estão enfrentando sérios problemas de sustentabilidade da cadeia de suprimentos (como práticas de mineração antiéticas, incluindo o uso de trabalho infantil). O cobalto é frequentemente substituído por ferro (LFP), níquel, manganês e alumínio.

As baterias Dynamo Energy são baseadas em células LFP, a escolha ideal para aplicações de movimentação de materiais.

Por que o LFP é a melhor escolha para operações de movimentação de materiais

Como dito acima, a química LFP é a escolha ideal para baterias de equipamentos de movimentação de materiais, e aqui está o porquê.

De todos os vários tipos de baterias de íons de lítio, três tipos de química de células surgem como amplamente utilizados em veículos elétricos dentro e fora de estrada: ferrofosfato de lítio, ou fosfato de ferro e lítio (LFP), óxido de lítio, níquel, manganês, cobalto (NMC) e óxido de lítio, níquel, cobalto e alumínio (NCA).

Todas as baterias se degradam com o uso, diminuindo sua capacidade Ah a cada ciclo de carga/descarga. No manuseio de materiais, as baterias geralmente se tornam inutilizáveis quando caem abaixo de 80% de sua capacidade nominal.

A longevidade de uma bateria, ou seu ciclo de vida, depende de três fatores principais:

composição química dos materiais catódicos;
temperatura ambiente de operação;
profundidade da descarga.

O gráfico abaixo mostra os resultados de testes de degradação independentes recentes dos três tipos de células com química diferente, sob condições iguais de temperatura e profundidade de descarga.

Um “ciclo completo equivalente” é a soma de eventos de carga/descarga que somam uma carga completa (zero a 100%) e uma descarga completa (a zero) de uma bateria.

As baterias de lítio LFP apresentam desempenho superior em comparação às NMC: elas oferecem uma vida útil mais longa e geralmente são mais baratas.

“ As células LFP apresentam ciclos de vida substancialmente mais longos nas condições examinadas. ”

As baterias de óxido de alumínio, cobalto e níquel-lítio (NCA) tiveram desempenho semelhante ou pior que as NMC.

Os testes foram realizados nos Laboratórios Nacionais de Sandia como “parte de um esforço mais amplo para determinar e caracterizar a segurança e a confiabilidade das células comerciais de íons de lítio”.

Além do ciclo de vida mais longo, o LFP vence em segurança, com melhor estabilidade e um limite de temperatura de fuga térmica mais alto (aproximadamente 420 °F para NMC e 520 °F para LFP).

A química NMC é mais alta em energia específica, o que significa que as células NMC têm maior densidade de energia do que LFP. Isso é importante para eletrônicos e veículos elétricos, onde o peso da bateria é um fator decisivo (quanto mais leve, melhor). Por outro lado, baterias industriais para aplicações de manuseio de materiais são frequentemente projetadas como um contrapeso (quanto mais pesadas, melhor).

Principais características dos tipos de química das células de lítio

As células de bateria são definidas principalmente pelo seguinte:

energia específica (quanta energia um sistema contém em comparação com sua massa; normalmente expressa em watts-hora por quilograma, Wh/kg);
potência específica (a quantidade de potência em uma determinada massa; normalmente expressa em watts por quilograma, W/kg);
custo (influenciado pela raridade e custo das matérias-primas e pela complexidade tecnológica);
segurança (fatores de risco, como limite de temperatura para fuga térmica);
vida útil (o número de ciclos que levam a uma diminuição criticamente baixa da capacidade, geralmente 80% em aplicações de movimentação de materiais);
desempenho (capacidade, tensão e resistência).

Aqui estão os três tipos em detalhes.

Ferrofosfato de lítio (LFP)

LFP é um material de cátodo popular e econômico para células de íons de lítio que são conhecidas por oferecer excelente segurança e longa vida útil, o que o torna particularmente adequado para aplicações de baterias especiais que exigem altas correntes de carga e resistência.

Um cátodo LFP oferece várias vantagens importantes, incluindo uma alta classificação de corrente, longa vida útil e estabilidade térmica superior, o que o torna uma das opções de material de cátodo mais seguras e tolerantes a abusos. O LFP fornece uma tensão nominal mais baixa, o que resulta em menor energia específica do que outros materiais de cátodo. As baterias LFP tendem a ter uma autodescarga um pouco maior do que outros tipos de bateria de íons de lítio.

Excelente capacidade de carga e descarga
Desempenho superior em baixa temperatura
Resistência estável
Queda de tensão estável em testes de ciclo de vida em ambientes de alta temperatura

Óxido de lítio, níquel, manganês e cobalto (NMC)

Um dos cátodos de íons de lítio mais amplamente usados é obtido pela combinação de níquel, manganês e cobalto. O óxido de lítio níquel manganês cobalto (LiNiMnCoO2), ou NMC, tornou-se o material de cátodo preferido para desenvolver baterias para ferramentas elétricas, e-bikes e outros sistemas de propulsão elétricos. Ele oferece forte desempenho geral, alta energia específica e baixa taxa de autoaquecimento. Essa energia de cátodo é usada para baterias de EV (Tesla? Sim, eles estão usando NMC e NCA atualmente, mas recentemente começaram a mudar para LFP ).

A fórmula NMC consiste tipicamente em 33% de níquel, 33% de manganês e 33% de cobalto. Esta mistura, às vezes chamada de 1-1-1, é uma opção popular para células produzidas em massa em aplicações que exigem ciclos frequentes (automotivo, eletrônicos) devido ao custo reduzido do material com um menor teor de cobalto.

Óxido de alumínio, cobalto e níquel-lítio (NCA)

Uma bateria de óxido de alumínio de cobalto e níquel de lítio, ou NCA, compartilha similaridades com a NMC ao oferecer alta energia específica, potência específica razoavelmente boa e uma vida útil relativamente longa, tornando a NCA uma candidata para motores de EV. As principais desvantagens são segurança e custo, bem como os recentes problemas na cadeia de suprimentos.

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