Acumulador de lítio | |
Bateria de lítio de Varta , Museum Autovision , Altlußheim , Alemanha | |
Características | |
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Energia / Peso | 100 a 250 (teórico) Wh / kg |
Energia / Volume | 200 a 620 Wh / ℓ |
Eficiência de carga-descarga | 90 % |
Energia / preço público | 4 Wh / € |
Autodescarga | 1% a 10% ao mês |
Vida | 7 anos |
Número de ciclos de carga | 1.200 ciclos |
Tensão nominal por célula | 3,6 ou 3,7 V |
Um acumulador de lítio é um acumulador eletroquímico cuja reação é baseada no elemento de lítio .
No início do XXI th século, este tipo de bateria tem a maior energia específica (rácio de energia / massa) e a maior densidade de energia (rácio de energia / volume).
Devido ao risco de explosão e combustão do lítio neste tipo de acumulador, eles estão sujeitos a restrições de transporte, principalmente por via aérea . Os incêndios de lítio demoram muito para apagar.
O rover Opportunity incorpora um acumulador de íons de lítio recarregável por seus painéis solares . Ele operou por muitos anos, apesar do frio intenso de -100 ° C no planeta Marte .
Existem três tipos principais de baterias de lítio :
Ao contrário de outros acumuladores, os acumuladores de íons de lítio não estão ligados a um par eletroquímico . Qualquer material capaz de acomodar íons de lítio dentro dele pode formar a base de um acumulador de íons de lítio . Isso explica a profusão de variantes existentes, em face da constância observada com os outros casais. Portanto, é difícil traçar regras gerais sobre este tipo de acumulador, uma vez que os mercados de alto volume (eletrônica móvel) e de alta energia ( automotivo , aeronáutico , etc. ) não têm as mesmas necessidades em termos de duração. De vida, custo ou potência .
O acumulador de íons de lítio funciona com base no princípio da troca reversível de íons de lítio entre um eletrodo positivo, na maioria das vezes um óxido de metal de transição litiado (dióxido de cobalto ou manganês) e um eletrodo de grafite negativo (esfera MCMB). O uso de um eletrólito aprótico (um sal LiPF6 dissolvido em uma mistura de carbonato) é obrigatório para evitar a degradação dos eletrodos muito reativos.
A tensão nominal de um elemento de iões de lítio é de 3,6 V ou 3,7 V . A densidade de energia dos acumuladores de íons de lítio pode atingir um nível de 200 Wh / kg .
O eletrólito é um polímero em gel. O acumulador de polímero de íon-lítio usa um princípio operacional semelhante aos acumuladores de íon-lítio e tem características semelhantes.
A voltagem de uma célula Li-Po é 3,7 V ; vários elementos são geralmente montados em "pacotes":
As baterias de lítio são a fonte de energia para a maioria dos smartphones , tablets e laptops modernos.
Acumuladores de polímero de lítio são comumente usados para fornecer energia para modelos em escala (carros, aviões, drones, etc. ), ULMs e paramotores , bicicletas eletricamente assistidas , motocicletas, scooters, go-karts, bem como a motorização principal ou de emergência de embarcações.
No campo aeronáutico, certos modelos (por exemplo, os produtos das empresas Yuneec (China) e Electravia (França)) são utilizados desde2007baterias industriais de polímero de lítio como principal fonte de energia. É também graças a esta tecnologia que o7 de abril de 2010, o Solar Impulse , um protótipo de avião solar suíço, completou com sucesso seu primeiro vôo.
O acumulador de lítio-ar usa o par lítio-oxigênio que oferece uma densidade de energia muito alta (normalmente entre 1,7 e 2,4 kWh / kg na prática para um valor teórico de 5 kWh / kg ). Isso se deve ao fato, por um lado, de um dos componentes (oxigênio) permanecer disponível e inesgotável sem ser armazenado no acumulador (como na maioria das baterias e acumuladores de ar), mas, sobretudo, à baixa massa atômica. e os altos potenciais redox de lítio e oxigênio. Fornecendo uma tensão de 3,4 V , no entanto, tem alguns inconvenientes: corrosão, necessidade de filtros (requer ar muito limpo) e baixa potência específica (200 W / kg - 500 W / l ). Essas baterias ainda não estão no mercado e ainda exigirão anos de pesquisas em laboratório.
Em Janeiro de 2013, BMW e Toyota estão trabalhando juntas para desenvolver a próxima geração de baterias de lítio-ar, que serão usadas em veículos híbridos e elétricos .
A bateria de fosfato de ferro-lítio (LFP), também chamada de LiFe ou LiFePO4, tem uma voltagem ligeiramente mais baixa (~ 3,3 V ), mas é mais segura, menos tóxica e com custo mais baixo. Na verdade, o preço das células e baterias de íon-lítio vem em grande parte dos materiais usados no cátodo, que contém cobalto ou níquel, metais muito caros e que tornam sua aquisição mais difícil de diferentes fornecedores.
Em um acumulador de bateria de fosfato de lítio , os catodos LiCo x Ni y Al z O 2 padrão são substituídos por fosfato de ferro de lítio LiFePO 4 , um material que é barato porque não contém metais raros e não é tóxico ao contrário do cobalto. Além disso, esse cátodo é muito estável e não libera hidrogênio responsável por explosões e incêndios em baterias de íon-lítio, o que o torna mais seguro.
Para o desenvolvimento industrial de veículos elétricos (contendo cerca de 30 kWh de acumuladores), uma redução de preço é imprescindível. Em 2007, o custo de um acumulador LFP é superior a € 1.000 / kWh e deve ser reduzido para menos de € 500 / kWh para chegar a este mercado. Alguns fabricantes chineses oferecem15 de junho de 2011Acumuladores de 3,2 V 16 Ah (ou 51 Wh ) por $ 21 , ou € 15 , o que dá um preço de aproximadamente € 300 / kWh . Observe que este tipo de bateria requer o uso de um sistema de segurança BMS (Battery Management System) ; o BMS acrescenta cerca de 20% ao preço.
No entanto, as pesquisas ainda estão em andamento para garantir sua vida útil, trazer sua capacidade ao nível de outras técnicas de íon-lítio e, a longo prazo, melhorar sua resistência a altas temperaturas: parece que a dissolução do ferro (favorecida pela temperatura) adversamente afeta a ciclabilidade deste tipo de acumulador.
Em março de 2009, uma equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts desenvolveu um processo que aumenta significativamente a velocidade de carregamento das baterias de íon-lítio, que são encontradas na maioria de nossos dispositivos de alta tecnologia. Essa descoberta abre novas possibilidades no campo dos carros elétricos cujo principal problema, além do custo, é o tempo de recarga da bateria.
Sua densidade de massa é de 200 Wh / kg esperada em 2020, e a densidade de volume é de 400 Wh / L , portanto é uma bateria poderosa, mas pesada para seu tamanho em comparação com as tecnologias NCM ( níquel - cobalto - manganês ).
A vida útil da bateria anunciada (80% da capacidade) é da ordem de sete anos e 3.000 ciclos a + 1 / -1 ° C a 23 ° C , ou três anos e 1.500 ciclos a +1, 2 / -8 ° C a 23 ° C . Parece que as baterias suportam bem alta potência e altas temperaturas, mas isso degrada sua vida útil.
Comparado a outros acumuladores:
As baterias de polímero metálico de lítio (LMP), destinadas ao mercado automotivo, estão sendo desenvolvidas por duas empresas, Batscap (Ergué-Gabéric, França) e Bathium (ex-Avestor) (Boucherville, Quebec). Este último foi comprado em6 de março de 2007pelo grupo francês Bolloré (detentor de 95% da Batscap) em antecipação à sua utilização no veículo elétrico do grupo, o Bluecar , utilizado em particular na rede de car-sharing Autolib em Paris.
Os acumuladores LMP têm a forma de uma película fina enrolada. Este filme, com uma espessura de cerca de cem micrômetros , é composto por 5 camadas:
O acumulador de titanato de lítio é uma evolução do acumulador de lítio desenvolvido pela Toshiba sob o nome Super Charge ion Battery (SCiB).
No futuro, alguns temem que o lítio barato acabe porque, embora seja muito abundante na Terra, os locais onde é fácil e barato extrair são raros . Mais de 75% da produção vem dos salários da América do Sul, Chile , Argentina e, desde 2008 , da Bolívia . Um aumento nos custos do lítio teria um impacto no custo das baterias e colocaria em risco sua aplicação em veículos elétricos.
Em 2009, o grupo japonês Nippon Mining & Metals anunciou que ia, com o apoio do METI e na sequência de um concurso deste último, colocar em funcionamento em 2011 uma unidade industrial de reciclagem de cátodos de baterias de iões de lítio, para recuperar cobalto , níquel , lítio e manganês .
Na Alemanha, o 5 de maio de 2009, a Universidade Técnica de Freiberg lançou uma “ Iniciativa de Lítio Freiberg ” reunindo cinco universidades e parceiros industriais em um centro de competência sobre baterias de íon-lítio mais seguras e eficientes para a indústria automotiva. Parte do projeto está à frente da indústria para melhorar as condições de extração de lítio, em associação com a Universidade de Potosí (próximo ao Salar de Uyuni ) em particular para melhorar as técnicas de evaporação solar e cristalização seletiva dos sais. Paralelamente, serão realizados experimentos nas montanhas de minério ( Erzgebirge ) da Saxônia , onde o lítio também está presente em concentrações que devem facilitar sua extração.
No que diz respeito aos acidentes de combustão de baterias de acumuladores elétricos de lítio, observações de raios gama em tempestades têm permitido fazer comparações com outras situações de fortes correntes elétricas locais, incluindo rupturas microscópicas de eletrodos nas baterias. Isso ainda não tem um aplicativo operacional.
Devido ao risco de explosão e combustão deste tipo de acumulador, eles estão sujeitos a restrições no transporte aéreo e cuidados especiais na cabine pressurizada .
Em acidentes de carro, os incêndios de baterias de lítio podem levar muito tempo para apagar. Em 2021, um incêndio em Tesla consumiu 32 mil galões americanos de água e quatro horas para ser extinto.