3 principais inovações em baterias de lítio de baixa temperatura

Introdução às necessidades de baterias de lítio de baixa temperatura

Com o rápido avanço da tecnologia, a demanda por baterias de lítio de baixa e ultrabaixa temperatura torna-se cada vez mais crítica em ambientes adversos, como planaltos de alta altitude, oceanos profundos, regiões polares e áreas extremamente frias, como o espaço sideral. As baterias de lítio tradicionais são inadequadas para armazenamento e liberação de energia nessas condições severas de temperatura.

A eliminação gradual dos subsídios para veículos de nova energia e a construção acelerada de estações base de armazenamento 5G pelas principais operadoras de telecomunicações impulsionaram significativamente a demanda por baterias de íons de lítio de baixa temperatura e baixo custo. Em 2021, as instalações de baterias domésticas atingiram 159,6 GWh. No entanto, em regiões do norte com condições extremas de inverno, a autonomia dos veículos de nova energia é severamente afetada. Portanto, o desenvolvimento baterias de lítio de baixa temperatura A adequação a ambientes frios é crucial. Para estações base 5G, as baterias de fosfato de ferro-lítio de baixa temperatura ganharam reconhecimento da indústria por sua vantagem competitiva decisiva, com a indústria inevitavelmente migrando de baterias de chumbo-ácido para baterias de fosfato de ferro-lítio para energia de reserva de torres de sinal de comunicação.

A temperatura afeta os processos de transferência de massa e carga em baterias de íons de lítio durante o carregamento e o descarregamento. Em baixas temperaturas, a cinética mais lenta dos íons de lítio é o fator mais crítico que afeta seu desempenho eletroquímico. A condutividade iônica do eletrólito diminui, tornando a solvatação/dessolvatação dos íons de lítio mais desafiadora, reduzindo significativamente a taxa de migração dos íons de lítio dentro do material ativo do eletrodo e na interface sólido-líquido. Esses fatores levam à degradação severa do desempenho da bateria. Além disso, a superfície do ânodo é propensa à deposição de lítio e ao crescimento de dendritos, causando falha da bateria e riscos à segurança. Para lidar com essas questões, pesquisadores melhoraram o desempenho da bateria de lítio em baixa temperatura modificando os materiais do cátodo e do ânodo, ajustando os componentes do eletrólito e as estruturas do solvente e projetando Sistemas de Gerenciamento Térmico de Bateria (BTMS) eficazes, tornando-os adequados para ambientes severos de baixa temperatura.

Status atual da pesquisa sobre baterias de lítio de baixa temperatura

1.1 Modificação dos materiais catódicos

Em baixas temperaturas, as principais razões para a diminuição da capacidade dos materiais catódicos incluem menor condutividade eletrônica, taxas reduzidas de migração de íons de lítio e cinética de intercalação/desintercalação de íons de lítio mais lenta em comparação à temperatura ambiente. O aprimoramento do desempenho dos íons de lítio em baixas temperaturas pode ser alcançado significativamente pela modificação dos materiais catódicos por meio de estratégias como dopagem iônica em massa ou de superfície para melhorar a taxa de migração de íons de lítio ou a condutividade eletrônica, empregando nanomateriais de carbono para formar estruturas condutoras multidimensionais, modificando com condutores iônicos para aumentar a condutividade eletrônica e iônica e otimizando a estrutura cristalina para encurtar a distância de difusão interna dos íons de lítio e, assim, aprimorar a cinética de intercalação e desintercalação de íons de lítio.

1.2 Modificação dos materiais do ânodo

Em baixas temperaturas, os materiais do ânodo apresentam taxas reduzidas de migração de íons de lítio, dificultando a dessolvatação dos íons de lítio, aumentando a impedância de transferência eletroquímica e diminuindo a capacidade de intercalação dos íons de lítio, levando à polarização do eletrodo. O lítio não intercalado é propenso a se depositar no ânodo, exacerbando ainda mais o crescimento de dendritos de lítio, o espessamento do filme SEI e a secagem do eletrólito, causando, em última análise, uma diminuição na capacidade e no desempenho cíclico da bateria de íons de lítio. O grafite é usado principalmente como material de ânodo, mas materiais com alto platô de carga e tensão de corte, como Li4Ti5O12 e carbono duro, também são empregados para evitar o depósito de lítio em baixas temperaturas. Os pesquisadores melhoram principalmente o desempenho em baixas temperaturas das baterias de íons de lítio por meio de dopagem, preparação de eletrodos nanocompósitos (incluindo adição de materiais de nanocarbono, nanomateriais com revestimento de carbono e outros eletrodos nanocompósitos), modificação de eletrodos de grafite e desenvolvimento de novos materiais de ânodo.

1.3 Ajuste da composição do eletrólito e da estrutura do solvente

O eletrólito impacta a mobilidade dos íons de lítio e participa da formação da película da Interface Eletrolítica Sólida (IEE), crucial para o desempenho eletroquímico de uma bateria em baixas temperaturas. A viscosidade e o grau de solvatação influenciam significativamente a mobilidade dos íons de lítio. Os eletrólitos em baterias de lítio de baixa temperatura devem possuir alta condutividade iônica e baixa viscosidade, mantendo a necessária estabilidade em baixas temperaturas. Carbonatos cíclicos, como o carbonato de etileno (EC), são vantajosos para a formação de uma camada IEE estável, mas apresentam viscosidade e pontos de fusão mais altos. A adição de carbonatos lineares, ésteres ou éteres com menor viscosidade e pontos de fusão por meio de uma estratégia de cossolvente ajuda a manter o eletrólito em estado líquido em baixas temperaturas. No entanto, é crucial equilibrar o ponto de fulgor reduzido dos eletrólitos após a adição de carbonatos lineares de baixa viscosidade para garantir a estabilidade térmica. Eletrólitos de alta concentração são favorecidos, apesar da menor condutividade iônica e da maior viscosidade, devido à sua menor impedância de transferência de carga, melhor desempenho de taxa e capacidades aprimoradas em baixas temperaturas.

2. Pesquisa e desenvolvimento de novos sistemas de baterias de lítio de baixa temperatura

Embora tenha havido algum progresso no desempenho de baterias de íons de lítio em baixas temperaturas, pesquisas inovadoras sobre novos sistemas de baterias de lítio para baixas temperaturas têm sido relativamente escassas. Condutores superiônicos, conhecidos por sua excelente condutividade iônica, podem melhorar efetivamente a taxa de migração de íons de lítio, oferecendo novas perspectivas para aprimorar o desempenho de baterias de lítio em baixas temperaturas.

Em 2011, o grupo de pesquisa Kamaya, no Japão, desenvolveu um novo tipo de material condutor superiônico de sulfeto inorgânico, o Li10GeP2S12, que apresenta uma condutividade ultra-alta. Possui uma tensão de decomposição superior a 5 V e uma condutividade de íons de lítio de 12 mS/cm à temperatura ambiente (27 °C), rivalizando e até superando eletrólitos líquidos orgânicos tradicionais. Notavelmente, mesmo a -40 °C, sua condutividade iônica pode atingir 0,41 mS/cm, apresentando a melhor condutividade entre vários condutores superiônicos, particularmente em condições de baixa temperatura, onde seu desempenho excede em muito o de eletrólitos orgânicos.

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