Bateria de gel vs. íon de lítio: uma comparação de armazenamento de energia

Existe uma ampla gama de opções de armazenamento de energia no mercado de energia estacionária. Algumas delas incluem ar comprimido, capacitores, volantes, baterias recarregáveis ​​e ar comprimido. Essas diferentes opções de armazenamento de energia têm suas próprias vantagens, cada uma dependendo de seu uso e aplicação. A seguir, compararemos duas opções diferentes. Bateria químicas: íon-lítio e ácido de chumbo.

Figura 1: Variáveis ​​na comparação de tipos de bateria

Atualmente, a indústria é dominada por baterias à base de níquel e chumbo-ácido. No entanto, as baterias à base de níquel estão sendo descontinuadas devido ao seu efeito negativo no meio ambiente e ao seu alto custo. Isso torna o chumbo-ácido a principal fonte de baterias, pois é mais econômico e fácil de fabricar. Outro player que está entrando no campo é o íon-lítio, uma tecnologia mais conhecida por sua portabilidade e aplicação em máquinas de pequena escala. Ao longo dos anos, o íon-lítio vem lentamente subindo no ranking como um dos tipos de bateria mais eficientes, mesmo em máquinas de grande escala. Isso ocorre porque, embora o custo inicial seja maior, ele é mais sensível à temperatura, tem melhor volume e peso e é relativamente mais barato de manter.

Figura 2: Tipos de baterias recarregáveis
Na figura 2, você verá o posicionamento das baterias de íons de lítio e de chumbo-ácido no campo das baterias recarregáveis.

Fatos básicos sobre baterias
Baterias de chumbo-ácido

Baterias de chumbo-ácido existem há muito tempo. Na verdade, esse tipo de bateria existe há mais de cem anos. Quando as baterias de chumbo-ácido estão totalmente carregadas, o cátodo e o ânodo abrigam um potencial elétrico de 2 V. Os elétrons então passam pela carga enquanto ela é descarregada. Enquanto isso acontece, as reações químicas internas na fronteira dos eletrodos e eletrólitos trabalham juntas para equilibrar o equilíbrio de carga. Na figura 3, você verá o estado químico das baterias de chumbo-ácido quando totalmente carregadas e o que acontece durante a descarga.

Figura 3: Estados de carga do ácido de chumbo
As baterias de chumbo-ácido têm duas categorias específicas: as inundadas e as seladas/reguladas por válvula. Embora a química interna dessas duas categorias seja bastante semelhante, elas diferem no design. Ao contrário das baterias de chumbo-ácido seladas/reguladas por válvula, as baterias de chumbo-ácido inundadas requerem manutenção periódica do eletrólito, um ambiente ventilado e uma orientação vertical para evitar vazamentos.
Essas diferenças mostram que, embora as baterias de chumbo-ácido inundadas sejam mais acessíveis, suas complexidades e custos secundários tornam as baterias seladas/reguladas por válvula uma alternativa mais atraente. Essas baterias seladas/reguladas por válvula são divididas em dois tipos distintos: as de gel e as de manta de vidro absorvida (AGM). Nas primeiras, o eletrólito é transformado de líquido em gel por meio do uso de um agente espessante. Nas últimas, o eletrólito líquido é mantido unido por uma matriz de vidro. Basicamente, a diferença entre as duas reside na contenção do eletrólito.
Tanto as baterias de chumbo-ácido inundadas quanto as seladas/reguladas por válvulas possuem ciclos superficiais e profundos. Um exemplo de bateria selada/regulada por válvulas de ciclo superficial são as baterias de iluminação, ignição e partida automotiva. Esse tipo de bateria requer o fornecimento de pulsos de alta potência por um curto período de tempo. O ciclo profundo, por outro lado, é mais utilizado no mercado de energia estacionária. Como as baterias de ciclo profundo apresentam baixas taxas de descarga por um longo período, é a escolha mais conveniente.

Baterias de íons de lítio
O íon de lítio foi conceituado pela primeira vez na década de 1970, mas sua ampla adoção só começou na década de 1990. Nesse tipo de bateria, o íon de lítio carregado vai e volta entre o ânodo e o cátodo. Esse processo de vai e volta ocorre durante o processo de carga e descarga. Na figura 4, você verá um diagrama de uma reação de íon de lítio.

Figura 4: Reação de íons de lítio
A geometria do encapsulamento, bem como as diferenças químicas entre ânodo, cátodo e eletrólito, desempenham um papel importante no desempenho da célula. Normalmente, a química mais alterada é a do cátodo. Isso se reflete em termos como NCM, NCA, Cobalto, Manganês e LPF. No geral, cerca de 90% dos ânodos em baterias de íons de lítio são feitos de grafite. Às vezes, silício e titânio também são usados ​​para melhorar o desempenho energético e a vida útil da bateria. No entanto, o custo seria mais alto em comparação com versões mais simples.
Normalmente, neste tipo de bateria, os eletrólitos estão na forma líquida. Mas, para células de polímero de lítio, os eletrólitos serão absorvidos pela membrana de polímero da bateria. Isso às vezes é preferível, pois permite que os fabricantes de células utilizem um invólucro tipo bolsa em vez de um invólucro metálico para o eletrólito líquido. Essa diferença afeta o desempenho da célula de íons de lítio.
Como mencionado anteriormente, as baterias de íons de lítio podem apresentar diversas variações químicas. No entanto, elas geralmente podem ser divididas em dois grupos: os óxidos metálicos (NCM, NCA, cobalto e manganês) e o fosfato de ferro-lítio (LFP, LiFePO4). A tabela abaixo destaca as principais diferenças entre os dois.

Tabela 1: Diferenças entre fosfato de íons de lítio e óxidos metálicos
Independentemente da composição química, todos os tipos de células de íons de lítio são de ciclo profundo. Isso significa que essas baterias podem ser descarregadas e totalmente carregadas. A vida útil da bateria nesse tipo de célula geralmente é maior se a taxa de descarga não exceder 80% de sua capacidade.