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A tecnologia das baterias já percorreu um longo caminho desde o desenvolvimento rudimentar pilha voltaica foi desenvolvido há mais de dois séculos. A inovação revolucionária da bateria de iões de lítio e as suas melhorias subsequentes aumentaram a utilização e a acessibilidade dos produtos eletrónicos, especialmente no mercado consumidor. Os eletrônicos são mais portáteis, acessíveis e, graças às baterias recarregáveis ou secundárias, estão se tornando mais sustentáveis.
A expansão das possibilidades de aplicação é outra razão pela qual a pesquisa sobre armazenamento de energia, especialmente baterias, é atualmente um tema quente. Por exemplo, há apenas uma década os drones eram o domínio do complexo industrial militar, e agora um drone com uma câmera é uma parte padrão do equipamento de quase qualquer fotógrafo ou influenciador de sucesso. Graças a uma maior duração da bateria e a materiais mais económicos, um drone tem agora um preço acessível para um segmento maior da população civil.
Este tipo de perturbação também está a acontecer em mercados maiores e mais lucrativos. A Tesla, uma marca digna de notícia graças às suas inovações tecnológicas e relações públicas, ainda tem uma pequena, embora crescente, quota de mercado no mercado automóvel global. O seu sucesso desafiou outras marcas estabelecidas a reconhecer que uma mudança em relação aos motores de combustão convencionais pode ser lucrativa. Volvo e Ford estão empenhados em ser «totalmente elétricos» até 2030 [1]. A General Motors (GM) comprometeu-se não apenas a ser elétrica até 2035, mas também a tornar seus negócios neutros em carbono até 2040 [2].
O mercado automóvel é um exemplo de destaque de uma indústria que irá remodelar drasticamente o seu setor – desde a produção até às vendas – e isto acontecerá em muitas outras indústrias, uma vez que há um maior foco nas alterações climáticas e nas fontes de energia renováveis por parte dos governos e dos consumidores. Será necessária I&D precisa e escalável para tornar possíveis estas transformações, e a procura de soluções melhoradas de armazenamento de energia está no centro destas mudanças.
A eletroquímica foi a chave para a descoberta do armazenamento de energia e é a técnica natural de escolha para futuras inovações.
Técnicas de caracterização eletroquímica para baterias de íon de lítio
Em primeira parte desta série, introduzimos diversas técnicas para analisar a composição e pureza de materiais de eletrodos e sais de lítio, além da determinação precisa do teor de água nos materiais da bateria.
Turbine sua pesquisa sobre baterias – Parte 1
Neste artigo destacamos técnicas que permitirão a caracterização de múltiplos atributos do comportamento eletroquímico de baterias de íon-lítio usando um potenciostato/galvanostato de alta precisão. Em alguns casos, a diferença entre as técnicas se deve à realização do experimento em um modo diferente (isto é, potenciostático ou galvanostático), e as informações adicionais coletadas fornecem uma imagem mais completa do comportamento da bateria.
Técnica de titulação intermitente galvanostática (GITT)
Uma das primeiras técnicas disponíveis para pesquisadores que exploram as propriedades dos materiais dos eletrodos da bateria é a Técnica de titulação intermitente galvanostática (GITT). Geralmente conduzida em meia célula, esta técnica consiste em uma série de perturbações de corrente seguidas por um tempo de relaxamento, que fornece informações sobre as propriedades termodinâmicas e os materiais do eletrodo, incluindo o coeficiente crítico de difusão. Todas essas informações permitem uma melhor compreensão do comportamento eletroquímico que pode ser esperado dos materiais.
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Técnica de Titulação Intermitente Potenciostática (PITT)
Técnica de Titulação Intermitente Potenciostática (PITT) é semelhante à técnica GITT detalhada acima, mas o PGSTAT é operado em modo potenciostático. Uma série de potenciais perturbações em degrau é aplicada ao sistema, e a corrente é medida em função do tempo. Tanto o GITT quanto o PITT são capazes de determinar com precisão o coeficiente de difusão.
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Ao usar um PGSTAT no modo galvanostático você também pode caracterizar o desempenho de baterias de íons de lítio usando diferentes taxas de corrente e carregando e descarregando durante vários ciclos, conhecidos coloquialmente como «ciclismo». Com esta técnica, os pesquisadores podem compreender a taxa de desempenho da bateria de íons de lítio, sua capacidade e a potência e densidade de energia associadas. Esta é a técnica mais comumente usada em pesquisas de baterias. Um procedimento de tensão constante de corrente constante (CCCV) é geralmente aplicado para garantir que a bateria esteja totalmente carregada, evitando qualquer sobrecarga da bateria.
Saiba mais sobre como caracterizar o desempenho de baterias de íon de lítio com ciclagem baixando esta nota de aplicação gratuita.
Carga-descarga galvanostática de uma bateria de íons de lítio com Autolab
CCCV é o padrão da indústria para carregamento de baterias de íons de lítio, e o PGSTAT opera em modo galvanostático e potenciostático para esta medição. A ciclagem galvanostática é realizada dentro de uma janela de potencial segura na qual o eletrólito é estável. Qualquer ligeiro desvio do corte potencial pode resultar num ciclo de vida insatisfatório.
Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS)
Espectroscopia de Impedância Eletroquímica (EIS) fornece dados adicionais e, portanto, maior compreensão do comportamento e desempenho potencial da bateria, usando ciclos de carga/descarga galvanostática e, em seguida, adicionando a técnica mais poderosa que está sendo usada extensivamente na pesquisa atual de baterias. Com o EIS, o comportamento altamente dinâmico de uma bateria e a difusão de íons nas interfaces podem ser caracterizados. Num único procedimento experimental abrangendo uma ampla faixa de frequências, a influência dos fenômenos físicos e químicos governantes pode ser isolada e distinguida em uma determinada faixa de frequência e estado de carga. Com o EIS é possível medir a impedância interna da bateria e modelá-la utilizando o circuito equivalente e entender a contribuição dos componentes da bateria para a impedância total da célula.
Para determinação EIS de baterias é importante usar Detecção de 4 terminais para evitar a contribuição dos fios para a impedância geral. Isto é importante para qualquer sistema eletroquímico de baixa impedância. Saiba mais sobre esta pesquisa baixando nossas Notas de Aplicação gratuitas abaixo.
Suporte de célula Metrohm Autolab DuoCoin com medições EIS em uma bateria comercial
Com o EIS, é possível determinar o tortuosidade através do plano dos eletrodos da bateria, que junto com a condutividade geral do eletrólito, o número de transferência de um íon de lítio do eletrólito da bateria, e coeficiente de difusão do eletrólito dá uma boa indicação da praticidade de certa química de bateria para aplicações de alta potência. Além disso, a limitação do transporte de massa do separador de bateria e a sua condutividade iónica desempenham um papel crucial no desempenho global das baterias.
Ao determinar o Número MacMullin, os pesquisadores podem determinar a qualidade dos separadores para sua aplicação em determinadas células de íons de lítio.
Baixe nossas Notas de Aplicação gratuitas abaixo para obter mais informações sobre esses assuntos.
Determinação do número de transferência de íons de lítio de um eletrólito de bateria por VLF-EIS
Determinação do coeficiente de difusão binária de um eletrólito de bateria
Para saber mais sobre esse assunto, baixe nosso White Paper gratuito abaixo, escrito por inovadores em instrumentos eletroquímicos da Metrohm Autolab. Este documento fornece informações adicionais sobre técnicas eletroquímicas aplicáveis e definições úteis para terminologias relevantes para pesquisa e desenvolvimento de baterias de íons de lítio.
Um guia para pesquisa e desenvolvimento de baterias de íon-lítio
