Tipos de Baterias de Li-Ion

 

TIPOS DE BATERIAS DE LI-ION

 

 

 

Existem diferentes tipos de baterias de Li-Ion. Li-Ion é o nome genérico para os materiais ativos dessas baterias. Para se referir aos diversos tipos de baterias de Li-Ion usam-se os símbolos dos elementos químicos ou então abreviaturas mnemônicas. Por exemplo, o óxido de lítio cobalto, usado nas baterias Li-Ion mais comuns, tem os símbolos químicos LiCoO2 e a abreviatura LCO. Por razões de simplicidade, a forma curta li-cobalto também pode ser usada para esta bateria. Cobalto é o principal material ativo desta bateria. Outras químicas de Li-Ion são nomeadas de maneira semelhante.

 

A seguir apresentamos as características básicas das baterias Li-Ion mais comuns:

 

 - Óxido de lítio cobalto (LiCoO2) – LCO

 - Óxido de lítio manganês (LiMn2O4) – LMO

 - Óxido de lítio níquel manganês cobalto (LiNiMnCoO2) – NMC

 - Fosfato de lítio ferro  (LiFePO4) – LFP

 - Óxido de lítio níquel cobalto alumínio (LiNiCoAlO2) – NCA

 - Titanato de lítio (Li4Ti5O12) – LTO

 

 

 

A alta energia específica dessa bateria faz dela a escolha mais popular para telefones celulares, notebooks e câmeras digitais.

A bateria consiste em um catodo de óxido de lítio cobalto e um anodo de grafite.

A desvantagem da bateria LCO é uma vida relativamente curta, baixa estabilidade térmica e capacidade de carga limitada. A Figura 1 ilustra a estrutura da bateria de li-cobalto.

 

Figura 1 - Estrutura de Lítio Cobalto

 

O catodo tem uma estrutura em camadas. Durante a descarga os íons de lítio se movem do anodo para o catodo. Na carga o fluxo é do catodo para anodo.

A tecnologia das baterias LCO está amadurecendo e os sistemas mais recentes incluem níquel, manganês e alumínio para melhorar a longevidade, a capacidade de carregamento e o custo.

As baterias LCO não devem ser carregadas e descarregadas com uma corrente superior à sua taxa C (capacidade nominal). Isto significa que uma célula 18650 com 2.400mAh só pode ser carregada e descarregada a 2.400mA.

Forçar uma carga rápida ou aplicar uma carga superior a 2.400mA provoca superaquecimento e estresse indevido. Para uma carga rápida ideal, o fabricante recomenda uma corrente de 0,8C ou cerca de 2.000mA.

O circuito de proteção obrigatório da bateria limita a taxa de carga e descarga a um nível seguro de cerca de 1C.

As baterias LCO tem energia específica elevada, mas tem desempenho moderado quando se trata de segurança e vida útil.

 

As principais características são:

 

 - Óxido de lítio cobalto: catodo LiCoO2 e anodo de grafite

 - Abreviatura: LCO ou li-cobalto.

 - Tensão Nominal: 3,60V

 - Faixa de operação típica: 3,0 a 4,2V/célula

 - Energia específica (capacidade): 150-200Wh/kg. As células especiais proporcionam até 240Wh/kg.

 - Carga: 0,7 a 1C até 4,20V. Uma corrente de carga acima de 1C reduz a duração da bateria.

 - Tempo de carga típico: 3 horas.

 - Descarga: 1C até 2,50V. Corrente de descarga acima de 1C reduz a duração da bateria.

 - Vida útil: 500-1000 ciclos, dependendo da profundidade de descarga, carga e temperatura.

 - Fuga térmica: 150°C

 - Aplicações: Telefones celulares, tabletes, notebooks e câmeras.

 

 

 

Em 1996, a Moli Energy comercializou uma célula Li-Ion com óxido de lítio manganês como material catódico. A arquitetura forma uma estrutura que melhora o fluxo de íons no eletrodo, o que resulta em menor resistência interna e capacidade de corrente melhorada.

Uma vantagem adicional desta bateria é a elevada estabilidade térmica e maior segurança, mas o ciclo e a vida são limitados.

A baixa resistência interna das células permite um carregamento rápido e alta corrente de descarga.

Uma bateria LMO tipo 18650 (cilíndrica de diâmetro 18 mm e altura 65 mm), pode ser descarregada com correntes de 20 a 30A, com acúmulo de calor moderado.

Também é possível aplicar impulsos de carga de um segundo de até 50A.

Uma carga elevada contínua nesta corrente causa acúmulo de calor e a temperatura da célula não pode exceder 80°C.

A bateria LMO é usada para ferramentas elétricas, instrumentos médicos, bem como veículos híbridos e elétricos.

A Figura 2 ilustra a formação de uma estrutura cristalina tridimensional no catodo de uma bateria LMO.

 

Figura 2 - Estrutura de lítio manganês

 

Essa bateria fornece baixa resistência, mas tem uma energia específica mais moderada do que a bateria LCO (lítio cobalto).

A bateria LMO tem uma capacidade que é aproximadamente um terço menor que a bateria LCO. Os projetos mais recentes de baterias LMO oferecem melhorias em potência, segurança e durabilidade.

A maioria das baterias LMO mistura com óxido de lítio níquel manganês cobalto (NMC) para melhorar a energia específica e prolongar a vida útil.

Esta combinação traz o melhor em cada sistema, e o LMO (NMC) é o escolhido para a maioria dos veículos elétricos, como o Nissan Leaf, Chevy Volt e BMW i3. A parte LMO da bateria, que pode ser aproximadamente 30%, fornece a energia elevada que é necessária na aceleração; a parte NMC dá maior autonomia ao veículo.

Em alguns modelos, uma pequena quantidade de silício é adicionada ao anodo. Isso proporciona um aumento de capacidade de 25%. No entanto isto implica numa vida mais curta, já que o silício cresce e encolhe com carga e descarga, causando estresse mecânico.

 

As principais características são:

 

 - Óxido de lítio manganês: catodo LiMn2O4 e anodo de grafite

 - Abreviatura: LMO ou Li-manganês

 - Tensão Nominal: 3,70V (3,80V) 

 - Faixa de operação típica 3,0 a 4,2V/célula

 - Energia específica (capacidade): 100-150Wh/kg

 - Carga: 0,7 a 1C típico, 3C máximo até 4,20V

 - Descarga: contínua de 1C a 10C, pulsada até 30C (5s) para uma tensão de  corte de 2,50V

 - Vida útil: 300 a 700 ciclos, dependendo da profundidade de descarga e temperatura.

 - Fuga Térmica: 250°C típica. Alta carga promove fuga térmica

 - Aplicações: Ferramentas elétricas, dispositivos médicos.

 

 

 

Um dos sistemas Li-Ion mais bem sucedidos é uma combinação de catodo de níquel-manganês-cobalto (NMC). É semelhante ao li-manganês.

Por exemplo, uma célula NMC modelo 18650, para condições de carga moderada, tem uma capacidade de cerca de 2.800mAh e pode fornecer de 4A a 5A.

Uma célula NMC otimizada para potência específica tem uma capacidade de apenas cerca de 2.000mWh, mas oferece uma corrente de descarga contínua de 20A.

Um anodo baseado em silício pode aumentar a capacidade da bateria até 4.000mAh ou mais, mas com capacidade de carregamento reduzida e menor vida útil.

O silício adicionado ao grafite tem a desvantagem de que o anodo cresce e encolhe com carga e descarga, tornando a célula mecanicamente instável.

O segredo da NMC reside na combinação de níquel e manganês.

O níquel é conhecido por sua alta energia específica, mas pobre estabilidade. O manganês tem o benefício de formar uma estrutura de espinélio para conseguir baixa resistência interna, mas oferece uma baixa energia específica. Combinando-se os metais aumentam-se os pontos fortes da bateria.

NMC é uma bateria adequada para ferramentas elétricas, e-bikes e outros veículos elétricos.

A combinação de catodo é tipicamente um terço de níquel, um terço de manganês e um terço de cobalto, também conhecido como 1-1-1.

Isto oferece uma mistura única que também diminui o custo de matéria-prima devido ao reduzido teor de cobalto. Outra combinação bem sucedida é NCM com 5 partes de níquel, 3 partes de cobalto e 2 partes de manganês.

São possíveis outras combinações utilizando várias quantidades de materiais catódicos. Novos eletrólitos e aditivos permitem carregar a 4,4V/célula e aumentar a capacidade da bateria.

A bateria de Li-Ion de NMC tem bom desempenho geral e se destaca em energia específica. Esta bateria é a candidata preferida para o veículo elétrico e tem a taxa mais baixa de autoaquecimento.

Os três materiais ativos de níquel, manganês e cobalto podem ser misturados facilmente para atender a uma ampla gama de aplicações para sistemas de armazenamento de energia automotiva e de energia que precisam de ciclos frequentes.

A família NMC está crescendo em sua diversidade.

 

As principais características são:

 

 - Óxido de lítio níquel manganês cobalto: catodo de LiNiMnCoO2 e anodo de grafite

 - Abreviatura: NMC

 - Tensão Nominal: 3,60V (3,70V)

 - Faixa de operação típica 3,0-4,2V/célula, ou superior.

 - Energia específica (capacidade): 150-220Wh/kg

 - Carga: 0,7-1C até 4,20V, algumas baterias atingem 4,30V; tempo típico de carga 3 horas. A corrente de carga acima de 1C reduz a duração da bateria.

 - Descarga: 1C; 2C é possível em algumas células; tensão de corte de 2,50V.  

 - Vida útil 1000 a 2000 ciclos (relacionado à profundidade de descarga, temperatura)

 - Fuga térmica típica 210°C. Alta carga promove fuga térmica

 - Aplicações e-bikes, dispositivos médicos, veículos elétricos, industrial.

 

 

 

Em 1996, a Universidade do Texas (e outros colaboradores) descobriram o fosfato como material catódico para baterias de lítio recarregáveis.

A bateria de li-fosfato oferece bom desempenho eletroquímico com baixa resistência.

Isto é possível com o material de catodo de fosfato de nano escala.

Os principais benefícios são alta corrente nominal e longa vida útil, além de boa estabilidade térmica, maior segurança e tolerância se abusada.

A bateria de li-fosfato é mais tolerante às condições de carga total e é menos estressada do que outros sistemas de Li-Ion se mantidos em alta tensão por um tempo prolongado.

Em contrapartida, sua menor tensão nominal de 3,2V/célula reduz a energia específica abaixo da de Li-Ion à base de cobalto.

Com a maioria de baterias, a temperatura fria reduz o desempenho e a temperatura elevada do armazenamento encurta a vida de serviço, e a bateria li-fosfato não é nenhuma exceção.

A bateria de li-fosfato tem uma maior autodescarga do que outras baterias Li-Ion, o que pode causar problemas de equilíbrio com o envelhecimento.

A bateria de li-fosfato é usada frequentemente para substituir a bateria de chumbo-ácido usada em automóveis.

Quatro células em série produzem 12,80V, uma tensão semelhante a seis células de chumbo-ácido em série que produzem 12V.

Os veículos carregam as baterias de chumbo-ácido até 14,40V (2,40V/célula).

 Com quatro células de li-fosfato em série, cada célula com tensão máxima de carga em 3,60V, tem-se a mesma tensão máxima de carga das baterias de chumbo-ácido que é de 14,40V.

A bateria de li-fosfato é tolerante a alguma sobrecarga; Entretanto, manter a tensão em 14,40V por um tempo prolongado, como a maioria de veículos faz em uma movimentação longa, poderia forçar a bateria.

O arranque em temperatura a frio também pode ser um problema com o li-fosfato como uma bateria de arranque.

A bateria de li-fosfato tem excelente segurança e longa vida, mas moderada energia específica e autodescarga elevada.

 

As principais características são:

 

 - Fosfato de lítio ferro: catodo LiFePO4 e anodo de grafite.

 - Abreviatura: LFP ou li-fosfato.

 - Tensão Nominal: 3,20V (3,30V)

 - Faixa de operação típica: 2,5-3,65V/célula

 - Energia específica (capacidade): 90-120Wh/kg

 - Carga: 1C típico até 3,65V

 - Tempo de carga típico: 3 horas

 - Descarga: 1C típica, 25C em algumas células; pulsada 40A (2s) com tensão de corte de 2,50V (menor que 2V causa danos).

 - Vida útil: 1000-2000 ciclos (relacionado à profundidade de descarga, temperatura).

 - Fuga térmica 270°C. Bateria muito segura, mesmo que totalmente carregada. Um dos sistemas Li-Ion mais seguros.

 - Autodescarga elevada.

 

 

 

A bateria de óxido de lítio níquel cobalto alumínio ou NCA existe desde 1999 para aplicações especiais. Ela compartilha semelhanças com NMC, oferecendo alta energia específica, boa potência específica e uma longa vida útil.

Menos vantajosos em relação a outros tipos de baterias Li-Ion são a segurança e o custo.

Alta energia e densidades de potência, bem como boa vida útil, fazem da bateria NCA um candidato para aplicações em veículos elétricos. Alto custo e segurança são desvantagens.

 

As principais características são:

 

 - Óxido de lítio níquel cobalto alumínio: catodo LiNiCoAlO2 (aproximadamente 9% Co) e anodo de grafite

 - Abreviatura: NCA ou li-alumínio. Desde 1999

 - Tensão Nominal: 3,60V

 - Faixa de operação típica: 3,0-4,2V/célula

 - Energia específica (capacidade): 200-260Wh/kg; 300Wh/kg previsível

 - Carga: 0,7C até 4,20V

 - Tempo de carga típico: 3h

 - Descarga: 1C típica com 3V de tensão de corte. Alta taxa de descarga encurta a vida da bateria.

 - Vida útil: 500 ciclos (relacionado à profundidade de descarga, temperatura).

 - Fuga térmica: 150°C típica. Carga elevada promove fuga térmica.

 - Aplicações Dispositivos médicos, industriais, veículo (Tesla).

 

 

 

As baterias com anodos de titanato de lítio são conhecidas desde a década de 1980.

O li-titanato substitui o grafite no anodo de uma bateria de Li-Ion típica e o material se forma em uma estrutura de espinélio.

O catodo pode ser óxido de manganês de lítio ou NMC.

A bateria de li-titanato tem uma tensão de célula nominal de 2,40V, pode ser carregada rapidamente e oferece uma alta corrente de descarga de 10C, ou 10 vezes a capacidade nominal.

A vida útil é mais elevada do que aquela que uma bateria Li-Ion regular.

A bateria de li-titanato é segura. Tem excelentes características de descarga a baixa temperatura. Tem uma capacidade de 80% a -30°C.

No entanto, a bateria é cara e tem apenas 65Wh/kg de energia específica, similar à bateria de NiCd.

A bateria de li-titanato carrega até 2,80V/célula e o fim da descarga é 1,80V/célula.

Os usos típicos são veículos elétricos, nobreaks e iluminação de rua alimentada por energia solar.

A bateria de li-titanato supera as demais em segurança, desempenho a baixa temperatura e vida útil. Esforços estão sendo feitos para melhorar a energia específica e diminuir o custo.

 

As principais características são:

 

 - Titânio de lítio: O catodo pode ser óxido de lítio manganês ou NMC e o anodo Li4Ti5O12 (titanato)

 - Abreviatura: LTO ou li-titanato. Comercialmente disponível desde aproximadamente 2008.

 - Tensão Nominal: 2,40V

 - Intervalo de operação típico: 1,8-2,85V/célula

 - Energia específica (capacidade) : 70-80Wh/kg

 - Carga: 1C típica; 5C máxima até 2,85V

 - Descarga: 10C possível, pulsada até 30C (5s) com tensão de corte de 1,80V

 - Vida útil: 3.000-7.000 ciclos

 - Fuga térmica: Uma das baterias Li-Ion mais seguras

 - Aplicações: Nobreaks, veículos elétricos (Mitsubishi i-MiEV, Fit EV da Honda), iluminação pública com energia solar.

 - Longa vida, carga rápida, ampla faixa de temperatura, mas baixa energia específica e cara. Está entre as baterias Li-Ion mais seguras.

 

 

 

A seguir apresentamos um resumo comparando as principais vantagens e limitações de cada tipo de bateria Li-Ion.

 - Óxido de lítio cobalto (LiCoO2) – LCO

Energia específica elevada. Potência limitada.

 - Óxido lítio manganês (LiMn2O4) – LMO

Potência elevada. Capacidade reduzida. Mais segura que a bateria LCO.

 - Óxido de lítio níquel manganês cobalto (LiNiMnCoO2) – NMC

Potência elevada. Capacidade reduzida. Mais segura que a bateria LCO.

 - Fosfato de lítio ferro  (LiFePO4) – LFP

Curva plana de descarga. Potência elevada. Capacidade baixa. Muito segura. Autodescarga elevada.

 - Óxido de lítio níquel cobalto alumínio (LiNiCoAlO2) – NCA

Maior capacidade com potência moderada. Similar à LCO.

 - Titanato de lítio (Li4Ti5O12) – LTO

Vida longa. Carga rápida. Faixa larga de temperatura. Segura. Baixa Capacidade. Cara.

 

A tabela 1 mostra os principais parâmetros de cada tipo:

 

Tabela 1 – Comparação entre as baterias de Li-Ion