Posto de Escuta

8 de março de 2013

Baterias íon-lítio e a indústria química

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Publicado por: Albert Hahn
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    s primeiras baterias recarregáveis de íon lítio (LIB) apareceram apenas por volta de 1990, mas já não se pode conceber o cotidiano sem elas. Em 2012, a demanda mundial dessas baterias, representadas pelo seu uso em aparelhos eletrônicos portáteis, ferramentas elétricas e meios de locomoção leves, já chega a US$ 13 bi anuais, o que corresponde a cerca de US$ 3.9 bi de insumos-ânodos, eletrólitos, separadores, cátodos, e outros: coletores, ligantes, recipientes etc.

    Química e Derivados, Albert Hahn, Posto de Escuta, Baterias íon-lítio e a indústria químicaAs inovações tecnológicas, daqui para frente, ficarão, sobretudo, por conta da penetração do mercado de propulsão automotiva – veículos híbridos (HEV) e exclusivamente elétricos (EV). As exigências da indústria de automóveis, que traduzem as preocupações dos consumidores, correspondem a um conjunto de especificações e normas que por sua vez vão exigir o desenvolvimento de materiais diferenciados para os diversos componentes.

    Até há algum tempo, o “carro elétrico” ainda era tratado mais como um brinquedo para ricaços californianos em busca de paz de consciência. Mas o tom mudou: formou-se um novo consenso segundo o qual, para o horizonte 2035, HEV e EV terão apropriado uma fatia de uns 10% da demanda anual de novos veículos, representando US$ 20-25 bi anuais de baterias.

    A isso se soma o mercado de baterias para armazenamento de energia de rede. Para os que acreditam no aumento da participação das diversas fontes intermitentes, cíclicas ou sazonais de energia elétrica, a demanda de baterias para armazenamento poderia alcançar umas cinco vezes a do mercado de propulsão.

    Insumos químicos

    • Cátodos

    Química e Derivados, Albert Hahn, Posto de Escuta, Baterias íon-lítio e a indústria químicaOs cátodos para LIB são materiais cerâmicos-óxidos capazes de perder de forma reversível o íon de lítio contido, a propriedade que os torna regeneráveis. Existem três famílias principais:

    Óxidos de cobalto, em forma de lamelas, quer a 100% (LCO), obtidos por substituição parcial do Co por outros metais de transição de menor desempenho e custo como Ni e Mn (NMC), e às vezes contendo também um pouco de alumínio (NCA). A propriedade dos metais principais é sua facilidade de passar da valência +2 para +3 e vice-versa.

    Sistemas cristalinos do tipo espinélio, contendo Li e Mn (LMO).

    Sistemas cristalinos do tipo olivina, contendo Li e Fe (LFP), cujo principal atrativo é a segurança.

    Os produtores de óxidos mistos (NMC/NCA) são licenciados do Argonne National Laboratory. As patentes da base para o LFP, para o qual se espera um crescimento espetacular, são da canadense Quebec Hydro, e a tecnologia (produção, revestimentos, dopantes etc.) é licenciada por uma subsidiária da Clariant. A reação se dá sob temperatura elevada e em atmosfera redutora. Segundo as projeções de demandas, não é surpresa já se poder constatar a existência de considerável produção extrapatente (China, Rússia).

    A demanda total de cátodos deverá continuar crescendo a 18.5% por ano, e a do LFP a 32.5% por ano.

    • Ânodos

    A característica-chave do ânodo é a sua capacidade de armazenar íons de lítio durante a fase da carga.

    Química e Derivados, Albert Hahn, Posto de Escuta, Baterias íon-lítio e a indústria químicaO material de referência para essa aplicação é o grafite, uma das formas cristalinas do carbono. Parte-se do grafite natural, em escamas, que é submetido a várias operações: moagem/micronização, peneiramento, purificação (térmica ou química), revestimento e reação com vapor. Os objetivos: obter um material de 99.9% de pureza, e de elevada superfície específica. A formulação pode conter, como aditivos, materiais sintéticos, a exemplo das MCMBs (microesferas de meso-carbono) obtidas de um piche, de alcatrão ou de coque, as quais melhoram a condutividade e as propriedades mecânicas da composição. O ânodo também contém uma parte do Li total.

    Para ultrapassar as limitações de capacidade do carbono, foi desencadeada uma corrida para desenvolver ânodos feitos com o seu vizinho de tabela periódica, o silício. A capacidade específica teórica do Si é cerca de dez vezes (na prática, fala-se em cinco) superior, mas ao incorporar os íons Li+ o material tende a se expandir, deformar, e se tornar inutilizado após alguns poucos ciclos de carga/descarga.

    A maioria das propostas envolve nanotecnologia: silício metálico na forma de nanopartículas incluídas em uma matriz de sílica (Hitachi), ou de nanofibras. A Nexeon (RU) trabalha com nanotecnologia desenvolvida no Imperial College, a qual inclui uma etapa de tratamento com ácido fluorídrico. E, além do silício, há interesse em materiais cerâmicos derivados do titânio como o titanato Li4Ti5O12, na forma de compósitos com material carbonáceo.


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