O papel de ligantes em revestimentos de eletrodos de baterias de lítio

Publicado pela Equipe de revestimentos de alto desempenho em 06/04/2020

Revestimentos de eletrodos em baterias facilitam as reações eletroquímicas que são necessárias para entregar energia elétrica. Os ligantes utilizados nesses revestimentos são normalmente apenas uma pequena porcentagem do peso geral de uma bateria, mas são essenciais para a construção da célula de bateria e para a entrega de uma gama de benefícios, de melhorias de segurança e densidade de energia para capacidade e mais.

Baterias de íon de lítio têm alguns componentes principais: um cátodo (eletrodo positivo), um ânodo (eletrodo negativo), um separador e uma mistura de eletrólitos como condutor. As reações eletroquímicas que geram tensão e corrente são facilitadas nos eletrodos revestidos, onde ocorrem as reações de redução e oxidação.
 
A maioria das baterias de íon de lítio compartilham um desenho similar, que consiste em:
  • um eletrodo positivo com base em óxico de metal (cátodo) que é revestido em um coletor de corrente de alumínio
  • um eletrodo negativo (ânodo) feito de carbono/grafite revestido em um coletor de corrente de cobre
  • um separador de membrana de poliolefina que às vezes também é revestido
  • eletrólitos feitos de sal de lítio em solventes orgânicos
Durante a descarga, os íons fluem do ânodo (oxidação) para o cátodo (redução) através do eletrólito e separador. Carregar a bateria inverte a direção e os íons fluem do cátodo para o ânodo.

Ligante multitarefas

Em uma bateria de lítio, os ligantes têm múltiplas tarefas. Eles devem manter as partículas de revestimento juntas e auxiliar na adesão do revestimento ao metal ou membrana do separador. O ligante também:    
  • Auxilia na formação do filme
  • Ajuda a formar uma boa dispersão de partículas em solvente ou água. O ligante deve ajudar o revestimento disperso a entregar uma pasta uniforme e partículas discretas no cátodo e ânodo.
  • Permanecer estável dentro do ambiente hostil de uma bateria, onde múltiplas reações ocorrem.  O ligante não pode se desfazer ou ser destruído nesse ambiente difícil.
Ligantes podem usar tecnologias comprovadas tanto com base solvente quanto com base de água. Ligantes com base solvente exigem custos adicionais para recuperação, coleta e conformidade ambiental. Ligantes com base de água muitas vezes são preferidos por motivos de custo e ambientais.

Existem diversos fatores a considerar ao escolher um ligante. Como mencionado, um ligante deve realizar diversas tarefas e as fazer bem: dispersar, aderir, ligar partículas, sobreviver em um ambiente hostil... além disso, ele deve facilitar o desempenho da bateria enquanto ela é carregada e descarregada. Uma bateria pode lentamente perder a capacidade curante ciclagem e carregando/descarregando centenas ou milhares de vezes. Um ligante desempenha um papel importante na manutenção da capacidade. Com um telefone celular, uma redução de capacidade de bateria com o passar do tempo pode ser um incômodo, mas com um carro elétrico é mais que um incômodo. O ligante pode influenciar a capacidade e estabilidade da bateria e, finalmente, a vida da bateria.

Ligantes também devem ter um certo grau de maleabilidade para que não rachem ou desenvolvam defeitos. Se houver fragilidade, ela pode criar problemas durante a fabricação ou montagem da bateria, durante a qual um eletrodo revestido é torcido ou envolvido.

Menor, mais leve e mais poderoso

Conforme fabricantes de bateria continuam a desenvolver baterias mais poderosas, mais estáveis e menores/mais leves, a Lubrizol está comprometida em auxiliar. Com nossa especialidade e recursos, estamos focados em permitir melhoras à vida da bateria e o custo final da bateria por meio de avanços em ligantes/dispersantes para ânodos, cátodos e separadores. Isso é evidente em telefones celulares e computadores portáteis conforme continuam a ficar cada vez mais finos e leves graças à tecnologia de baterias. Também é evidente em veículos elétricos, onde o peso e tamanho da bateria estão diminuindo, enquanto o alcance dirigível em uma única carga continua a aumentar.

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