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Explicação das baterias de lítio-ar Princípio, benefícios e perspectivas futuras

Explicação das baterias de lítio-ar: Princípio, benefícios e perspectivas futuras

Na procura de soluções energéticas sustentáveis, o desenvolvimento da tecnologia das baterias desempenha um papel vital. Embora as baterias tradicionais de iões de lítio tenham sido amplamente utilizadas em veículos eléctricos e dispositivos electrónicos portáteis, a sua densidade energética (explorar densidade energética da bateria) continua a ter estrangulamentos e é difícil satisfazer a procura crescente de energia.

Para ultrapassar esta limitação, uma tecnologia de bateria mais promissora baterias de ar de lítio está gradualmente a tornar-se visível para as pessoas. Este artigo explora em profundidade o princípio de funcionamento, o mecanismo de reação, as vantagens e os desafios das baterias de lítio-ar e aguarda com expetativa as suas perspectivas de aplicação no futuro domínio da energia.

Índice
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O que é uma pilha de ar de lítio?

A bateria de lítio é um dispositivo eletroquímico de armazenamento de energia que tem o lítio metálico como elétrodo negativo e o oxigénio do ar como material ativo do elétrodo positivo. Ao contrário das baterias de iões de lítio tradicionais, o elétrodo positivo das baterias de lítio e ar não necessita de transportar uma grande quantidade de materiais de óxido (explorar materiais catódicos para baterias de iões de lítio), mas utiliza diretamente o oxigénio do ar para participar nas reacções electroquímicas, reduzindo assim consideravelmente o peso da bateria e aumentando a densidade energética.

Enquanto "célula semi-combustível", a densidade energética teórica das baterias de lítio-ar é muito superior à das baterias de iões de lítio, que pode atingir 5 a 10 vezes a destas últimas, e é mesmo comparável à densidade energética da gasolina. Isto significa que, com o mesmo peso, as baterias de lítio-ar podem armazenar mais energia, proporcionar aos veículos eléctricos uma maior autonomia de condução e fornecer aos sistemas de armazenamento de energia soluções de armazenamento de energia mais eficientes.

Princípio de funcionamento das baterias de lítio-ar

O princípio de funcionamento das baterias de lítio-ar baseia-se na reação redox do lítio metálico e na reação de redução do oxigénio. O seu processo de carga e descarga pode ser dividido nas seguintes etapas:
Definição e estrutura básica da bateria de lítio-ar

Processo de quitação

  1. O elétrodo negativo (lítio metálico) liberta electrões e oxida-se em iões de lítio (Li+).
  2. Os iões de lítio passam através do eletrólito e migram para o elétrodo positivo.
  3. O oxigénio (O2) presente no ar difunde-se para a superfície do material do elétrodo positivo.
  4. Com a ajuda do catalisador do elétrodo positivo, o oxigénio obtém electrões e sofre a reação de redução do oxigénio (ORR) para gerar óxido de lítio (Li2O) ou peróxido de lítio (Li2O2).
  5. Os iões de lítio combinam-se com o óxido de lítio/peróxido de lítio e depositam-se na superfície do material do elétrodo positivo para formar produtos de descarga.
  6. Fórmula global da reação: 4Li + O2 → 2Li2O (óxido de lítio), 2Li + O2 → Li2O2 (peróxido de lítio)

Processo de carregamento

  1. A fonte de alimentação externa fornece energia para decompor o produto da descarga (óxido de lítio/peróxido de lítio) no elétrodo positivo, libertando iões de lítio e oxigénio.
  2. O oxigénio é libertado no ar.
  3. Os iões de lítio passam através do eletrólito e migram para o elétrodo negativo.
  4. Os iões de lítio obtêm electrões no elétrodo negativo, são reduzidos a lítio metálico e são depositados na superfície do elétrodo negativo para completar o processo de carga (explorar carga e descarga da bateria de iões de lítio).

Composição estrutural das baterias de lítio-ar

Como funcionam as baterias de lítio-ar

Uma bateria de lítio-ar típica é composta principalmente pelas seguintes partes

  • Elétrodo negativo: composto por lítio metálico, que é a fonte de energia da pilha e fornece iões de lítio.
  • Eletrólito: Actua como meio de transmissão dos iões de lítio, isola os eléctrodos positivo e negativo e impede a passagem dos electrões. O eletrólito pode ser líquido, sólido ou misto (explorar eletrólito de bateria de iões de lítio).
  • Elétrodo positivo (elétrodo de ar): É um material poroso, geralmente composto por materiais de carbono (como nanotubos de carbono, grafeno) e catalisadores, responsável pela adsorção de oxigénio e pela promoção de reacções de redução de oxigénio.
  • Diafragma: Situado entre os eléctrodos positivo e negativo, evita os curto-circuitos, permitindo a passagem dos iões de lítio.

Vantagens das baterias de lítio-ar

As baterias de lítio-ar têm as seguintes vantagens significativas em relação às baterias tradicionais de iões de lítio:

  • Densidade energética teórica ultra-elevada: A densidade energética teórica das baterias de lítio-ar pode atingir 11,4 kWh/kg (sem oxigénio), o que é 5-10 vezes ou mesmo superior à das actuais baterias de iões de lítio.
  • Baixo custo: Os materiais do elétrodo positivo das baterias de lítio são compostos principalmente por materiais de carbono baratos e pelo oxigénio do ar, sem necessidade de utilizar óxidos metálicos dispendiosos, o que reduz o custo das baterias.
  • Amigo do ambiente: As baterias de lítio-ar utilizam o oxigénio do ar como material ativo do elétrodo positivo, reduzindo a utilização de materiais metálicos nocivos para o ambiente.

Desafios enfrentados pelas baterias de lítio-ar

Embora as baterias de lítio-ar tenham amplas perspectivas, as suas aplicações comerciais enfrentam ainda muitos desafios:

Ciclo de vida curto: Durante o processo de carga e descarga, os produtos sólidos (tais como Li2O2, Li2O) produzidos pelo elétrodo positivo irão bloquear os poros do elétrodo, dificultar a difusão do oxigénio e provocar a diminuição da capacidade da bateria e encurtar o ciclo de vida (ver ciclo de vida das pilhas de iões de lítio).

Fraco desempenho da taxa: A taxa de difusão de oxigénio e a taxa de transferência de carga das baterias de lítio-ar são baixas, o que limita o seu desempenho de descarga a alta velocidade.
Problema de estabilidade do eletrólito: O elétrodo negativo de lítio metálico tem uma atividade química elevada e é propenso a reacções laterais com o eletrólito, o que resulta numa diminuição do desempenho da bateria.

Elevados requisitos de pureza do ar: As impurezas do ar, como o vapor de água e o dióxido de carbono, reagem com o lítio metálico, gerando subprodutos que afectam o desempenho e a vida útil da bateria.

O desempenho do catalisador precisa de ser melhorado: A cinética da reação de redução do oxigénio (ORR) e da reação de evolução do oxigénio (OER) é lenta, sendo necessário desenvolver catalisadores eficientes e estáveis para reduzir o sobrepotencial e melhorar a eficiência energética.

Principais vantagens das baterias de lítio-ar

Últimos progressos nas baterias de lítio-ar

Nos últimos anos, os investigadores mundiais fizeram progressos significativos no domínio da investigação das baterias de lítio-ar:
 
Otimização dos electrólitos: Os investigadores promoveram eficazmente a geração de produtos de descarga reversível de peróxido de lítio (Li2O2) através do desenvolvimento de novos electrólitos como o sulfóxido (DMSO) e a sulfona (TMS), reduziram as reacções secundárias e melhoraram o ciclo de vida da bateria.
 
Conceção da estrutura do elétrodo: Os cientistas propuseram de forma inovadora o conceito de elétrodo de ar integrado de grafeno e construíram uma estrutura tridimensional porosa de grafeno na matriz de espuma de níquel, o que melhorou eficazmente a condutividade e a taxa de difusão de oxigénio do elétrodo e melhorou o desempenho da taxa da bateria.
 
Investigação e desenvolvimento de catalisadores: Os óxidos compostos do tipo perovskite de terras raras são utilizados em baterias de lítio-ar devido às suas excelentes propriedades electrocatalíticas, reduzindo eficazmente o sobrepotencial de carga e descarga e melhorando a eficiência da conversão de energia e o desempenho da taxa.
 
Desenvolvimento de modelos de baterias: Os investigadores da Universidade de Cambridge desenvolveram um modelo de laboratório de baterias de lítio-ar com elevada densidade energética, mais de 2.000 tempos de carregamento e, teoricamente, uma eficiência energética superior a 90%.
 
Bateria de lítio-ar de estado sólido: A bateria de lítio-ar de estado sólido é considerada a futura direção de desenvolvimento devido à sua maior segurança e densidade energética.
 
A empresa japonesa Softbank avança: O Instituto Nacional de Ciência dos Materiais (NIMS) do Japão e o Softbank Group (Softbank) desenvolveram em conjunto uma bateria recarregável de lítio-ar, afirmando que a sua densidade energética excede em muito a das baterias tradicionais de iões de lítio.
 
Descoberta da Academia Chinesa de Ciências: A equipa liderada por Zhang Xinbo, um investigador do Instituto de Química Aplicada de Changchun da Academia Chinesa de Ciências, aumentou com sucesso o ciclo de vida das baterias de lítio de ar, das 100 vezes mais longas relatadas na literatura para 500 vezes, inibindo a decomposição dos electrólitos da bateria de lítio de ar, regulando a interface trifásica sólido-líquido-gás do elétrodo de ar e optimizando o sistema e a estrutura da bateria secundária de lítio de ar.

Perspectivas futuras das baterias de lítio-ar

Com o avanço contínuo da tecnologia, as baterias de lítio-ar terão amplas perspectivas de aplicação no futuro:

  • Veículos eléctricos: as baterias de lítio-ar podem aumentar significativamente a autonomia dos veículos eléctricos, reduzir os custos das baterias e acelerar a popularização dos veículos eléctricos.
  • Sistema de armazenamento de energia: podem ser utilizados em domínios como o armazenamento de energia da rede e o armazenamento de energia doméstica para melhorar a eficiência da utilização de energia e promover o desenvolvimento de energias renováveis.
  • Dispositivos electrónicos portáteis: as baterias de lítio podem prolongar a vida útil da bateria de dispositivos electrónicos portáteis, como telemóveis e computadores portáteis.
  • Domínios especiais: com as vantagens da elevada densidade energética e do peso reduzido, podem ser utilizados em domínios especiais como o aeroespacial e o militar.

Conclusão

Sendo uma nova tecnologia de armazenamento de energia com grande potencial, as baterias de lítio-ar estão a atrair a atenção de investigadores de todo o mundo. Embora ainda existam muitos desafios, com o avanço contínuo e a inovação da tecnologia, temos razões para acreditar que as baterias de lítio-ar acabarão por ultrapassar o estrangulamento, alcançar a aplicação comercial e trazer uma revolução energética para a humanidade.
 
Ajudará os veículos eléctricos a libertarem-se da ansiedade da autonomia, promoverá a eficiência e a estabilidade dos sistemas de armazenamento de energia e contribuirá para a realização de um futuro sustentável. A redução do carbono deixou de ser um objetivo inatingível e as baterias de lítio-ar serão um passo fundamental para um futuro de energia verde.
Imagem de Chase Wu
Chase Wu
Chase é um perito da indústria e analista independente especializado em sistemas de troca de baterias eléctricas de duas e três rodas. Os seus conhecimentos abrangem a tecnologia de baterias de iões de lítio, a infraestrutura inteligente de troca de baterias e as aplicações de mobilidade eléctrica, com um forte enfoque na implantação no mundo real, na dinâmica do mercado e no desenvolvimento da indústria a longo prazo.
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