Bateria de gel versus íon-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 de inércia, baterias recarregáveis ​​e ar comprimido. Essas diferentes opções de armazenamento de energia têm suas próprias vantagens, cada uma dependendo de seu uso e aplicação. Abaixo, vamos comparar duas delas. Bateria Químicas: íon-lítio e chumbo-ácido.

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

Atualmente, a indústria é dominada por baterias de níquel e de chumbo-ácido. No entanto, as baterias de níquel estão sendo gradualmente eliminadas devido ao seu impacto negativo no meio ambiente e ao seu alto custo. Isso faz com que as baterias de chumbo-ácido se tornem a principal opção, por serem mais econômicas e fáceis de fabricar. Outra tecnologia que vem ganhando espaço é a de íon-lítio, mais conhecida por sua portabilidade e aplicação em máquinas de pequeno porte. Ao longo dos anos, as baterias de íon-lítio vêm se consolidando como um dos tipos de bateria mais eficientes, inclusive em máquinas de grande porte. Isso se deve ao fato de que, embora o custo inicial seja mais alto, elas são mais sensíveis à temperatura, possuem melhor volume e peso, além de serem relativamente mais baratas de manter.

Figura 2: Tipos de baterias recarregáveis
Na figura 2, você verá a posição das baterias de íon-lítio e de chumbo-ácido no campo das baterias recarregáveis.

Informações básicas sobre baterias
Baterias de chumbo-ácido

As baterias de chumbo-ácido existem há muito tempo. Na verdade, esse tipo de bateria já existe há mais de cem anos. Quando as baterias de chumbo-ácido estão totalmente carregadas, o cátodo e o ânodo apresentam um potencial elétrico de 2V. Os elétrons passam pela carga durante o processo de descarga. Nesse processo, as reações químicas internas na interface entre os eletrodos e o eletrólito atuam em conjunto para equilibrar a carga. Na figura 3, você pode ver o estado químico das baterias de chumbo-ácido quando estão totalmente carregadas e o que acontece durante a descarga.

Figura 3: Estados de carga do chumbo-ácido
As baterias de chumbo-ácido possuem duas categorias específicas: as inundadas e as seladas/reguladas por válvula. Embora a composição química interna dessas duas categorias seja bastante similar, elas diferem em termos de projeto. 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 a posição vertical para evitar vazamentos.
Essas diferenças mostram que, embora as baterias de chumbo-ácido inundadas sejam mais acessíveis, sua complexidade e custos secundários tornam as baterias seladas/reguladas por válvula uma alternativa mais atraente. As baterias seladas/reguladas por válvula são subdivididas em dois tipos distintos: as de gel e as de manta de fibra de vidro absorvente (AGM). Nas primeiras, o eletrólito é transformado de líquido para gel por meio 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 forma como o eletrólito é contido.
Tanto as baterias de chumbo-ácido inundadas quanto as seladas/reguladas por válvula possuem ciclos rasos e ciclos profundos. Um exemplo de bateria selada/regulada por válvula de ciclo raso é a utilizada em iluminação, ignição e partida de automóveis. Esse tipo de bateria requer o fornecimento de pulsos de alta potência por um curto período de tempo. Já as baterias de ciclo profundo são mais utilizadas no mercado de energia estacionária. Como as baterias de ciclo profundo apresentam baixas taxas de descarga ao longo de um período prolongado, elas representam a opção mais conveniente.

Baterias de íon-lítio
A tecnologia de íon-lítio foi concebida pela primeira vez na década de 1970, mas sua adoção em larga escala só começou na década de 1990. Nesse tipo de bateria, o íon-lítio carregado se move repetidamente entre o ânodo e o cátodo. Esse processo de vaivém ocorre durante os ciclos de carga e descarga. Na figura 4, você verá um diagrama de uma reação de íon-lítio.

Figura 4: Reação de íons de lítio
A geometria da embalagem, assim como as diferenças na composição química do ânodo, cátodo e eletrólito, desempenham um papel fundamental no desempenho da célula. Normalmente, a composição química que sofre maior alteração é a do cátodo. Isso se reflete em termos como NCM, NCA, cobalto, manganês e LPF. De modo geral, cerca de 90% dos ânodos em baterias de íon-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, essas opções costumam ser mais caras em comparação com versões mais simples.
Normalmente, nesse tipo de bateria, os eletrólitos estão em forma líquida. Mas, nas células de polímero de lítio, os eletrólitos são absorvidos pela membrana de polímero da bateria. Isso às vezes é preferível, pois permite que os fabricantes de células usem um invólucro tipo bolsa em vez de uma carcaça metálica para o eletrólito líquido. Essa diferença impacta o desempenho da célula de íon-lítio.
Como mencionado anteriormente, as baterias de íon-lítio podem apresentar diversas variações químicas. No entanto, elas podem ser divididas em dois grupos principais: 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 grupos.

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