A essência de uma bateria é um “jogo em movimento”.
As baterias de-íon de lítio podem ser descritas como complexas ou simples, dependendo de como você as encara.
Em sua essência, o conceito é simples: a energia química e a energia elétrica são interconvertidas à medida que os íons de lítio vão e voltam entre os eletrodos positivo e negativo.
Como funcionam as baterias de íons-de lítio – Sala de estudo de química (nenhum conceito de química do ensino médio está fora de alcance!)
Você pode imaginar os íons de lítio como um grupo de “motores” diligentes. Durante o carregamento, uma fonte de energia externa emite um comando, expulsando-os do eletrodo positivo; eles viajam através do eletrólito e do separador para "se estabelecerem" no eletrodo negativo. Durante a descarga, o processo se inverte e esses “motores” voltam do eletrodo negativo para o positivo.
Como os íons de lítio "balançam" constantemente entre os eletrodos positivos e negativos, os cientistas deram às baterias de íons de lítio um apelido vívido: "baterias de cadeira de balanço".
Esse movimento-e{1}}de ida e volta guarda todo o segredo por trás de como as baterias de íon-lítio carregam e descarregam.
Carregamento: "Reunindo" íons de lítio para o eletrodo negativo para armazenamento
[Imagem]
Ao carregar, conectamos a bateria a um carregador.
Assim que a fonte de energia externa é conectada, os elétrons no eletrodo positivo são os primeiros a se mover; eles são “empurrados” através do circuito externo em direção ao eletrodo negativo. Assim que os elétrons saem, os íons de lítio no eletrodo positivo “saltam” para segui-los. Esses íons de lítio carregados positivamente saltam para o eletrólito e "nadam" através dos poros microscópicos sinuosos do separador, seguindo para o eletrodo negativo.
Ao atingir o eletrodo negativo, os íons de lítio não podem simplesmente “se mover” imediatamente. A superfície do eletrodo negativo é coberta por uma camada invisível conhecida como filme SEI (Solid Electrolyte Interphase). Este filme é único: permite a passagem de íons de lítio, mas bloqueia os elétrons. Os íons de lítio devem primeiro penetrar neste filme antes de encontrar um local adequado para "assentar" dentro do material do eletrodo negativo.
À medida que o carregamento continua, mais e mais íons de lítio ficam embutidos no eletrodo negativo. Quanto mais lítio estiver incorporado no eletrodo negativo, maior será a capacidade da bateria. Simultaneamente, o potencial do eletrodo negativo cai gradualmente enquanto o do eletrodo positivo aumenta, fazendo com que a tensão geral da bateria aumente lentamente. Depois que a maioria dos íons de lítio do eletrodo positivo tiver migrado para o eletrodo negativo, o processo de carregamento estará completo.
Descarregando: íons de lítio “voltam” para trabalhar
Introdução aos sistemas de bateria de energia (Parte I): composição de materiais e processos de carga/descarga de baterias de íons de lítio- – CSDN Blog
Descarregar é o processo de uso da bateria no dia a dia-acender a tela de um celular ou alimentar um veículo elétrico depende inteiramente desta etapa.
Durante a descarga, os íons de lítio embutidos no eletrodo negativo se libertam e se movem para fora. Como os íons de lítio carregam carga positiva, sua saída faz com que o eletrodo negativo perca carga positiva; para manter a neutralidade elétrica, o eletrodo negativo deve perder elétrons simultaneamente. No entanto, os elétrons não podem viajar pelo interior da bateria-o separador permite a passagem dos íons de lítio, mas bloqueia os elétrons.
Portanto, os elétrons devem seguir um caminho diferente: partindo do eletrodo negativo, eles percorrem o circuito externo até o eletrodo positivo.
A jornada dos elétrons pelo circuito externo não serve apenas para mostrar-que eles realizam trabalho ao longo do caminho. A energia liberada por esses elétrons à medida que “trabalham” durante seu trânsito é o que alimenta a tela do celular ou aciona o motor do veículo elétrico.
E os íons de lítio? Eles “saltam” do eletrodo negativo para o eletrólito, “nadam” através do separador e retornam ao eletrodo positivo. Ao chegar, eles encontram os elétrons que viajaram pelo circuito externo e os dois se recombinam.
Quanto mais íons de lítio retornarem ao eletrodo positivo, maior será a capacidade de descarga da bateria. Durante este processo, o potencial do eletrodo negativo aumenta enquanto o do eletrodo positivo cai, fazendo com que a tensão da bateria diminua gradualmente.
Elétrons e íons de lítio: funções distintas, ambas essenciais
Até agora, você provavelmente já percebeu que a operação de uma bateria de-íon de lítio depende da divisão de trabalho e da cooperação entre elétrons e íons de lítio.
Os íons de lítio vão e voltam dentro da bateria-movendo-se para o eletrodo negativo durante o carregamento e para o eletrodo positivo durante a descarga. Os elétrons viajam através do circuito externo-empurrados do eletrodo positivo para o negativo durante o carregamento e fluindo do eletrodo negativo para o positivo para realizar trabalho durante a descarga.
Eles compartilham a mesma direção e objetivo, mas percorrem caminhos diferentes. Os íons de lítio seguem a “rota da água” (eletrólito e separador), enquanto os elétrons seguem a “rota terrestre” (circuito externo). É precisamente esta divisão de trabalho que permite à bateria armazenar e libertar energia. Por que não podemos simplesmente usar carregamento rápido-de alta corrente?
Todo mundo quer um carregamento rápido hoje em dia-pense em smartphones que oferecem "cinco minutos de carregamento para duas horas de conversação" ou em veículos elétricos que prometem "dez minutos de carregamento para centenas de quilômetros de autonomia". No entanto, as baterias de íon-de lítio não podem simplesmente ser carregadas rapidamente à vontade.
O maior risco associado ao carregamento rápido-de alta corrente é o "revestimento de lítio" no eletrodo negativo (ânodo).
O que isto significa? Durante o carregamento, os íons de lítio viajam do eletrodo positivo (cátodo) para o eletrodo negativo, passam pela camada SEI (Solid Electrolyte Interphase) e encontram um local para "instalar-se" dentro do material do eletrodo negativo. Este processo é inerentemente difícil: os íons devem atravessar o eletrólito, passar pelos minúsculos poros do separador, atravessar a camada SEI e, finalmente, localizar um ponto adequado dentro do material do eletrodo negativo.
Se a corrente de carga for muito alta, os íons de lítio entram muito rapidamente para encontrar um “leito” adequado no eletrodo negativo. Os íons que não conseguem se incorporar a tempo simplesmente se acumulam na superfície do eletrodo negativo, formando uma camada de lítio metálico cinza.
Discussão sobre o mecanismo de formação e prevenção de dendritos de lítio – Baterias de Lítio – Bateria China
Essa camada de lítio metálico pode se transformar em cristais semelhantes a árvores, conhecidos como "dendritos de lítio". Os dendritos de lítio são perigosos; eles podem perfurar o separador, causando contato direto entre os eletrodos positivo e negativo e resultando em curto-circuito interno. Um curto-circuito faz com que a temperatura da bateria aumente; o separador derrete e encolhe em altas temperaturas, podendo causar um incêndio ou até mesmo uma explosão.
Portanto, você não pode simplesmente aumentar arbitrariamente a corrente de carga. Fatores como a taxa de difusão do material do eletrodo negativo, a concentração do eletrólito e a porosidade do separador limitam a velocidade com que os íons de lítio migram. Qualquer etapa mais lenta se torna o gargalo, e esse gargalo geralmente está localizado no eletrodo negativo.
Onde está o “calcanhar de Aquiles” de uma bateria?
Depois de compreender os princípios subjacentes, você perceberá que muitos problemas com baterias de-íon de lítio decorrem desse processo de "mudança de casa":
Capacidade diminui: À medida que os materiais dos eletrodos positivos e negativos "hospedam" repetidamente íons de lítio ao longo do tempo, suas estruturas podem entrar em colapso e os caminhos podem ficar bloqueados, deixando menos "camas" disponíveis para acomodar os íons.
Perda de energia em baixas temperaturas: Quando a temperatura cai, o eletrólito torna-se mais viscoso, dificultando a "nadagem" dos íons de lítio através dele.
O carregamento rápido danifica a bateria: Altas correntes impedem que os íons de lítio "façam check-in" com rapidez suficiente, fazendo com que se acumulem na superfície e formem revestimento de lítio. A camada SEI é uma faca de dois gumes: embora proteja o ânodo da degradação pelo eletrólito, sua formação consome uma parte dos íons de lítio, resultando em perda de capacidade durante a carga inicial.
Em última análise, a tecnologia da bateria de-íon de lítio visa encontrar um equilíbrio entre velocidade e segurança, bem como entre capacidade e vida útil. O carregamento rápido acarreta o risco de revestimento de lítio; maximizar a capacidade requer acomodar mais íons de lítio, mas a superlotação pode comprometer a estabilidade estrutural.
Algumas reflexões
As baterias de-íon de lítio estão conosco há décadas, alimentando tudo, desde telefones celulares até veículos elétricos, e variando de alguns watts-horas a centenas de quilowatts-horas. No entanto, o princípio fundamental permanece inalterado: os iões de lítio vão e voltam entre o cátodo e o ânodo, enquanto os eletrões realizam trabalho através do circuito externo.
O que realmente evoluiu foram os materiais do cátodo e do ânodo, as formulações de eletrólitos e as tecnologias de controle de camada SEI,-todos destinados a tornar o "lançador" de íons de lítio mais rápido, mais estável e mais seguro.
Fonte: Internet
Editor: Xiao Ai
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