Como funciona uma bateria de lítio

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Martí Micolau
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O que é uma bateria de lítio

Basicamente, um bateria de lítio (ou melhor, uma bateria de íon de lítio, ou íon de lítio) é composta por uma série de componentes químicos encerrados em um invólucro, conectados ao exterior por meio de duas extremidades de metal, uma positiva e outra negativa.

Quando essas duas pontas são colocadas em contato uma com a outra (por meio de um material condutor), é acionada uma reação que faz com que as partículas internas da bateria se juntem e se separem continuamente, a fim de produzir outros elementos químicos, chamados íons.



Em particular, os íons são responsáveis ​​por produzir a energia para alimentar a bateria, enquanto os elétrons são responsáveis ​​por gerar a eletricidade necessária para operar o dispositivo ao qual está conectado (smartphone, tablet, notebook e assim por diante).

As baterias de lítio, graças às suas características estruturais e químicas particulares, são atualmente amplamente utilizadas tanto no campo da eletrônica (smartphones, tablets, notebooks, fontes de alimentação ininterrupta, vestíveis e assim por diante) e em setores muito diferentes, como o de híbridos e carros elétricos.

O objetivo deste guia é explicar-lhe, em termos simples, o critério subjacente ao funcionamento das baterias recarregáveis ​​de iões de lítio e as razões dos problemas mais comuns encontrados nelas.

Uma breve história das baterias de lítio

A história das baterias de lítio começa há muito tempo 1912, quando o primeiro acumulador deste tipo foi inventado por Gilbert N. Newis: eram células não recarregáveis, mas capazes de fornecer tensões muito maiores do que as outras baterias em uso na época, graças à presença de lítio.

Esta invenção, no entanto, não foi considerada particularmente útil até 1970, quando o químico MS Whittingham conseguiu desenvolver um protótipo de bateria recarregável explorando, de fato, o lítio.



No entanto, mesmo esta invenção não encontrou o sucesso desejado: como o lítio é um metal leve, mas extremamente instável, as baterias projetadas na época traziam consigo um alto risco de explosão; portanto, cúmplice dos perigos associados à manipulação do lítio neste setor e da queda do preço do petróleo (elemento básico para todas as baterias recarregáveis ​​em uso na época), o desenvolvimento das baterias recarregáveis ​​de lítio foi engavetado.

Isso foi até 1991, ano em que JB Goodenough fez a primeira bateria de íons de lítio para Sony, mudando o material de construção do cátodo e aumentando sua potência; o projeto foi ainda mais refinado, no mesmo ano, por Akira Yoshino, que conseguiu eliminar completamente o lítio na forma pura das baterias recarregáveis, substituindo-o por íons de lítio, isto é, com partículas capazes de "se desprender" do átomo de lítio após uma reação química.

Esta última etapa foi de fundamental importância para a segurança daquilo que, até à data, são as baterias recarregáveis ​​mais utilizadas no mundo: a partir desse ano, graças aos estudos contínuos sobre a estrutura química dos componentes das baterias e com a introdução gradual de mecanismos de segurança, os riscos associados às baterias de íon-lítio foram extremamente reduzidos, em face do aumento da potência, da capacidade de armazenamento de energia e da duração ao longo do tempo.

Nota: Whittingham, Goodenough e Yoshino receberam o Prêmio Nobel de Química em 2019, justamente pelo desenvolvimento de baterias de íon-lítio.

Como funciona uma bateria de lítio

Uma bateria de íon-lítio é composta por uma ou mais peças eletrônicas capazes de gerar energia, chamadas Células; cada célula é composta principalmente por três elementos: um eletrodo positivo, chamado cátodo; um eletrodo negativo, chamado ânodo; e um produto químico, chamado eletrólito.



As baterias deste tipo são geralmente ricaricabili, portanto, capaz tanto de acumular energia (na fase de carga) quanto de liberá-la (na fase de descarga): esse mecanismo é possibilitado pelo fluxo de íons e elétrons, ou seja, pequenas partículas que se "desprendem" dos átomos, pelos quais viajam do ânodo para o cátodo - e vice-versa - através do eletrólito.

Deixe-me explicar melhor a dinâmica desse mecanismo. Quando a bateria coleta energia e fica, ou seja, em fase de carga, o cátodo "Dá" alguns de seus íons de lítio, que viajam através do material eletrolítico, seguindo o circuito interno, e se acumulam dentro doânodo, em que fluem continuamente, gerando energia e sendo carregados negativamente. Quando os íons de lítio do cátodo param de circular através do material eletrolítico, o processo para e a bateria é carregada.

Quando, por outro lado, a bateria perde energia e entra fase de descarga, ocorre o processo inverso: os íons, seguindo o circuito externo de cada célula na direção oposta, circulam do ânodo para o cátodo, fornecendo energia para a bateria (e para o dispositivo conectado); quando chegam ao destino, combinam-se com os elétrons presentes no cátodo, depositando-se ali. Quando o ânodo não tem mais íons de lítio para liberar, o processo para: a bateria está completamente descarregada.

É precisamente a distância percorrida pelos íons de lítio que determina o tempo necessário para carregar e descarregar uma bateria: como a primeira das duas fases ocorre em um circuito interno e a outra em um "caminho" externo, nem é preciso dizer que o carregamento da bateria é muito mais rápido do que a descarga.


Porém, como você certamente sabe, a autonomia de uma bateria de íon-lítio é extremamente variável, dependendo do tipo de dispositivo que alimenta e das atividades que realiza!


Cada célula também implementa alguns mecanismos de segurança visa reduzir problemas por superaquecimento: se a célula e / ou a bateria atingir uma temperatura muito elevada durante a fase de carga, o fluxo de energia que entra é imediatamente interrompido e, consequentemente, não pode mais receber carga.

Embora as baterias de íon-lítio sejam dominadas pelo mesmo princípio de operação, elas não são todas iguais: na verdade, existem diferentes tipos e características, que variam principalmente devido aos materiais com os quais o ânodo, o cátodo e o eletrólito são feitos.

Por exemplo, a maioria das baterias encontradas em smartphones, tablets, notebooks e bancos de energia são do tipo Óxido de Lítio-Cobalto / LCO (o LiCoO2): é formado por um cátodo de óxido de cobalto e um ânodo de grafite; baterias de carros elétricos, por outro lado, exploram a combinação química lítio, níquel, manganês e óxido de cobalto / LiNMC (LiNiMnCoO2): o cátodo, neste caso, é feito de níquel, manganês e cobalto; o cátodo presente nas baterias usadas para fontes de alimentação ininterruptas modernas, por outro lado, usa um cátodo emóxido de lítio e manganês, geralmente com adição de cobalto.

Prós e contras das baterias de lítio

A introdução das baterias de íon-lítio trouxe vários benefícios para o mundo da eletrônica. Para começar, ao contrário das baterias de níquel-cádmio (ou NiCd, pronuncia-se "nicad"), as baterias de íon-lítio eles não sofrem com o efeito memória: se você nunca ouviu falar, é um fenômeno que "faz uma bateria acreditar" que tem menos capacidade do que sua condição inicial.

O efeito memória é extremamente frequente em baterias NiCd e é “ativado” quando, por algum motivo, a bateria é recarregada quando ainda há energia residual em seu interior; para voltar ao normal, você deve descarregar completamente a bateria e recarregá-la imediatamente.

Outra grande vantagem das baterias de íon-lítio é que elas são relativamente lido em comparação com a quantidade de energia que são capazes de armazenar; novamente, para construir baterias deste tipo o uso de cádmio não está previsto, um material extremamente tóxico e ainda hoje utilizado, embora em grau muito menor do que na última década, para a produção de baterias recarregáveis.

Nem tudo, porém, “são rosas e flores”: embora, ao longo do tempo, tenham sido implementados mecanismos de segurança capazes de minimizar a possibilidade de sobreaquecimento e consequentes incêndios, deve-se estar sempre atento a calor, pois as baterias de lítio sofrem muito com esse efeito: a bateria deve ser sempre mantida em temperatura ambiente e as células não devem ser recarregadas quando o aparelho já estiver quente, pois podem ocorrer quedas de desempenho devido à dificuldade de "reter" energia.

Além disso, as baterias devem ser carregadas em um voltagem apropriada: o uso de carregadores de bateria muito "potentes" pode reduzir significativamente a vida útil e a eficiência de cada célula, além de causar perigo acumulações de gás (naturalmente liberado durante as fases de carga / descarga), o que pode causar súbita e perigosa explosões.

Outro aspecto a se atentar, principalmente no que se refere a dispositivos eletrônicos como smartphones, tablets e notebooks, é o nível mínimo de carga. Deixe uma bateria de íon de lítio alcançá-lo 0% de carga pode afetar negativamente sua vida útil: se o trânsito de íons do cátodo para o ânodo for totalmente interrompido, as partículas de lítio podem danificar irreparavelmente este último, diminuindo o desempenho da bateria. Além disso, o dispositivo pode ter alguma dificuldade ou demorar mais para ligar novamente, uma vez que o trânsito de íons deve ser reiniciado "do zero".

Por este motivo, é uma boa prática evite descarregar completamente um dispositivo eletrônico alimentado por uma bateria de íon-lítio, antes de recarregá-lo; pelo mesmo motivo, se você planeja não usar um aparelho eletrônico por muito tempo, preste atenção em armazená-lo com a bateria carregada a pelo menos 50%: a pequena e inevitável perda de carga por inatividade, desta forma, irá dificilmente causam danos às células.

Dadas suas características, deve-se dizer que uma bateria de íon-lítio tem uma duração limitada: os fabricantes geralmente definem este parâmetro em termos de ciclos de carga, após o que as células da bateria podem não ser capazes de acumular mais energia de forma adequada, devido ao desgaste dos ânodos ou do material químico presente em seu interior. Não se preocupe, porém: uma bateria bem gerenciada - o ideal seria manter constantemente uma faixa de carga de 30-80% do seu dispositivo - pode permanecer "saudável" mesmo por mais de cinco anos (apesar de uma queda óbvia em comparação com o capacidade original, mas não tão drástica a ponto de comprometer seu uso)!

Para informações mais "práticas", convido você a ler meus tutoriais sobre como carregar a bateria do smartphone e como aumentar a vida útil da bateria de um notebook.

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