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Continuação sobre pilhas e baterias de Lítio

Continuação sobre pilhas e baterias de Lítio

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  • 1. Mobilidade Eléctrica Pilhas e Baterias de Lítio Energia Química22-01-2012 Por : Luís Timóteo 1
  • 2. Mobilidade Eléctrica Lítio-ar : Bateria Recarregável As baterias recarregáveis Lítio-ar (também conhecidas como de Lítio-oxigénio), são semelhantes, em princípio, ás baterias de iões de lítio. No entanto, o Lítio-ar é electroquimicamente um interface entre o ânodo de lítio ao oxigénio atmosférico através de um cátodo de ar à base de carbono, em vez dos compostos convencionais pesados encontrados nas baterias de iões de lítio. Isso significa que elas são capazes de ter maior densidade de energia por causa de terem um cátodo leve e o facto de o oxigénio estar disponível gratuitamente no ambiente e não precisar ser armazenado na bateria. As baterias Li-ar dão a promessa de aumentar a densidade energética das baterias de iões de lítio entre cinco a 10 vezes tanto como um tanque de combustível actual. Mas esse potencial só poderá ser alcançado quando desafios científicos críticos forem resolvidos. Desenvolver a bateria Li-ar vai exigir esforços da ciência transformacional dos materiais,Baterias de Lítio: da química e da engenharia. A realização de uma bateria Li-ar viável exigirá um avanço tecnológico e pode levar uma ou duas décadas antes que o produto seja aprovado para uma aplicação comercial. Isso irá resolver o paradigma dos veículos eléctricos que para produzir a potência equivalente a um tanque de gasolina, teriam que carregar muitas mais baterias, questão impraticável devido às restrições de peso e espaço. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 2
  • 3. Mobilidade Eléctrica Lítio-ar : Bateria Recarregável Projectos As baterias Li-ar usam um cátodo de ar catalítico que fornece o oxigénio, um electrólito, e um ânodo de lítio. O maior problema não é fazer uma bateria Li-ar. Temos o caso das baterias tipo botão/moeda de Zi-ar, que prova que a tecnologia está no bom caminho, pois têm rendimentos superior às actuais baterias de iões de lítio; o grande problema é ser recarregável e aguentar os recarregamentos… O Óxido de lítio - o produto criado quando das descargas da bateria - é susceptível de criar e restringir o número de ciclos de carga e descarga da bateria. Para provar sucesso em veículos eléctricos, as baterias de Li-ar teriam de lidar com milhares de tais ciclos. Actualmente as baterias experimentais de Li-ar têm somente uma eficiência de 70% no processo de carga/descarga. Outro problema, seria encontrar solução para a alta volatilidade do lítio com água, possibilitando o uso de electrólitos líquidos…que eliminaria o perigo de incêndio/explosão do lítio em situações catastróficas de aquecimento. As baterias de metal-ar devem o seu nome aos reagentes que fornecem energia as reacçõesBaterias de Lítio: electroquímicas. Nas pilhas de zinco-ar, por exemplo, a energia é libertada pela oxidação de zinco (que é mantido dentro da caixa da pilha) com o oxigénio do ar. Na medida em que o oxidante não é armazenado na bateria, mas é fornecido continuamente a partir de uma fonte externa, o ar, esses tipos de pilhas são semelhantes à células de combustível, no qual nem oxidante nem o combustível é fornecido dentro da célula. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 3
  • 4. Mobilidade Eléctrica Lítio-ar : Bateria Recarregável Projectos  Tendo por base a densidade energética/KG, as baterias Li-ar, suplantam todos os tipos de pilhas e baterias, e até rivaliza com a gasolina.Baterias de Lítio: Fonte: Journal of Physical Chemistry Letters 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 4
  • 5. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Estrutura Membranas compatíveis para interface de Electrólitos estabilizados com a separação. requerida condutibilidade iónica. Os Projectos para baterias de lítio/Ar incluem um cátodo permeável ao ar, um escudo Oxigénio para proteger o ânodo de lítio da água e nitrogénio, um electrólitos, e o ânodo de lítio Li+ metálico. Li+Baterias de Lítio: Li+ Nanoporos de Carbono para transporte e condutibilidade. Electrólito sólido Catalisador para fazer ou para estabilizar o quebrar as ligações Li-O e O-O a interface. um determinado nível de energia. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 5
  • 6. Mobilidade Eléctrica Mecanismo das Baterias Lítio-ar Nanoarquitectura 3D de eléctrodos feitos pela deposição de uma camada de MnO de 10 a 20 nm de espessura, sobre uma espuma de carbono, usando processos de baixa temperatura que podem ser usados para melhora a cinética dos eléctrodos das baterias Litio-ar. O2Baterias de Lítio: O2 Lítio Electrólito Eléctrodo A. Debard et al., Univ. St Andrews J. W. Long and D. R. Rolison, US Naval Research Lab. composto 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 6
  • 7. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Arquitecturas Quatro arquitecturas diferentes de baterias Li-ar, que todas pressupõem o uso de metal de lítio como o ânodo. As três arquitecturas de electrólito líquido são; apróticos, aquoso e um sistema misto aprótico aquosos. Além disso, uma arquitectura totalmente de estado sólido também é apresentada..Baterias de Lítio: 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 7
  • 8. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Aprótida - Descarga Di-Lithium Descarga Peroxide Li2O2 e- e- e- e- Li Li Li+ e- Li+ O- O Ânodo O- O O de Li+ Li e- Cátodo Lítio Li+ Li+ NanoestruturadoBaterias de Lítio: e- Li+ Li+ O2+e -> O2- O2- + Li+ ->LiO2 LiO2 + Li+ + e->Li2O2 Electrólito Aprotico Li -> Li++ e IBM Almaden Research Center 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 8
  • 9. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Aprótida - Carga e- e- e- e- e- Li Li Li+ O- Li+ Li+ e- O- Li+ Li O catalyst Li+ e- particle Li+ Li+ O- OBaterias de Lítio: Li Li2O2 –> LiO2- + Li+ Li+ O- LiO2- –> LiO2 + Li+ + e Li+ Li+ O- Li+ + e –> Li 0 LiO2 –> O2 + Li+ + e IBM Almaden Research Center Li+ + e –> Li 0 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 9
  • 10. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Aprótica Durante a descarga, a electroquímica espontânea. 2(Li+ + e- ) + O2 → Li2O2 gera uma tensão de 2,96V no equilíbrio (mas praticamente um pouco menos devido a sobretensões). Durante a carga, uma tensão maior do que 2,96 V (~ 4 V é necessária devido à sobrepotenciais) dirige o Li2O2 reacção inversa electroquímica → 2Li + O2. 2(Li+ + e- ) + O2  Li2O2Baterias de Lítio: 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 10
  • 11. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Lítio Oxigénio – Energia especifica teóricaBaterias de Lítio: 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 11
  • 12. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Bateria experimental O conceito de bateria de metal-ar não é novo. As pilhas botão Zn-Ar usadas nas próteses auditivas podem ser encontrados em farmácias em todos os lugares. Em contrapartida, as baterias recarregáveis ​de metal-ar, e em particular as baterias Li-ar, permanecem em fase de investigação, mas continuam a atrair novos pesquisadores, por causa da promessa que se espera destas baterias..Baterias de Lítio:  Uma bateria de Li-ar experimental desenvolvida no MIT tem entrada e saída nas laterais para proporcionar um fluxo de ar, fornecendo oxigénio para a operação da bateria (Foto: Patrick Gillooly/MIT) 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 12
  • 13. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar Vantagens das baterias Lítio/Ar:Baterias de Lítio: Energia especifica extremamente alta ( possível rival dos combustíveis derivados do petróleo); células comerciais actuais alcançam 1000Wh/kg mas podem chegar a 10000 Wh/Kg. A energia para a reacção não está dentro da célula, pelo que as células de maior capacidade deverão ter vantagem de segurança por essa razão. Sistema amigo do ambiente. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 13
  • 14. Mobilidade Eléctrica Pilhas de Metal/Ar: Pilhas Zinco/Ar As Pilas de Zinco/Ar requerem oxigénio da atmosfera exterior para funcionarem. Isto poupa espaço, assim como elimina a necessidade de ter internamente material por vezes tóxico. A grande desvantagem da pilhas de Zinco/ar é que têm que estar isoladas da atmosfera exterior antes de serem usadas.. Ânodo (Zinco pó)Baterias de Lítio: isolamento Separador Entrada Ar Carbono (Massa) Papel Filtro Rede Carbono/Níkel Folha Teflon 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 14
  • 15. Mobilidade Eléctrica Pilhas de Metal/Ar: Pilhas Zinco/ArBaterias de Lítio: 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 15
  • 16. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Baterias Metal/Ar O conceito de bateria de metal-ar não é novo. As pilhas botão Zn-Ar usadas nas próteses auditivas podem ser encontradas em farmácias em todos os lugares. Em contrapartida, as baterias recarregáveis ​de metal-ar, e em particular as baterias Li-ar, permanecem em fase de investigação, mas continuam a atrair novos pesquisadores, por causa da promessa que se espera destas baterias..Baterias de Lítio: Infelizmente, as baterias de Li-ar não são ainda uma realidade comercial, porque tem havido uma falta de compreensão de quais os tipos de materiais do eléctrodo que poderiam promover as reacções electroquímicas que ocorrem nestas baterias. Agora, um estudo novo do MIT, revela que eléctrodos de ouro ou platina como catalisador mostram um nível mais elevado de actividade e, assim, uma maior eficiência do que eléctrodos de carbono simples. Este novo trabalho prepara o terreno para futuras pesquisas que possam levar a materiais do eléctrodo, melhor ainda talvez, a ligas de ouro ou platina e a outros metais ou óxidos metálicos, para alternativas menos caras. 16 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 16
  • 17. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Baterias Metal/Ar  Interface no cátodo de uma bateria de Li-ar de carbono poroso (cinza) que é inundado com o electrólito (azul), iões Li + (pequenos pontos) reagem com as moléculas de oxigénio (pares de pontos) nos pontos catalisadores (amarelo) para formar óxidos de lítio (laranja) .  A interface atina é ampliada à direita. Reacção Global 2(Li+ + e- ) + O2  Li2O2 Catalisação  Quando as baterias de Li-ar descarregam, o lítio metálico reage com o oxigénio para formar óxido de lítio e liberta 2 electrões.Baterias de Lítio: Quando carrega, o oxigénio é libertado e o metal de lítio e reconstituído. Os novos catalisadores vão promover essas reacções, e assim reduzir a quantidade de energia desperdiçada com a carga/descarga. Os átomos de ouro no catalisador facilitam a associação de lítio e de oxigénio, a platina ajuda a reacção oposta, libertando o oxigénio. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 17
  • 18. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Baterias Metal/Ar  As baterias MAIL (Metal-Air Ionic Liquid) fazem parte de um projecto comprovadamente seguro, geopoliticamente sustentável, feito de materiais abundantes e ter densidade de energia ultra-alta com um baixo custo. Oferecer um elevado nível de segurança porque o oxidante e o redutor não são armazenadas no mesmo espaço. No caso de um acidente envolvendo um veículo eléctrico, o risco de liberação de energia e fogo catastrófico é inexistente. A bateria MAIL terá uma densidade de energia mínima de 4-11 vezes maior que a de iões de lítio, e um objectivo de ciclo de vida a longo prazo do de 2600 ciclos. As baterias de metal-ar contêm metais de alta energia e oxigénio, literalmenteBaterias de Lítio: respirado do ar, dando-lhes a capacidade de armazenar enormes quantidades de energia. Até o momento, o desenvolvimento destas baterias foi bloqueado pelas limitações do uso instável de soluções baseadas em água, que se quebram e evaporam á medida que a bateria respira. Abordagem envolve líquidos iónicos - sais extremamente estáveis na forma líquida – mas sem uso de água. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 18
  • 19. Mobilidade Eléctrica Baterias de Iões de Lítio/Lítio –Ar- Comparações Colector de corrente (+) Eléctrodo positivo (LiMO2) Electrólito (Carbonatos alcal. etc.,) Separador (Novos compostos cerâmicos) Eléctrodo Negativo (Grafite) Colector de corrente (-)Baterias de Lítio: Produto : Li2S Produto : Li2O2 Produto : H2O Armazenado no cátodo de Carbono Armazenado no cátodo de Carbono ignorado 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 19
  • 20. Mobilidade Eléctrica Baterias de Iões de Lítio: Lítio –Enxofre Porquê Baterias Li/S? Anodic rxn.: 2Li → 2Li+ + 2e- Cathodic rxn.: S + 2e - → S2- Geral rxn.: 2Li + S → Li2S, ΔG = - 439.084kJ/mol Ânodo Cátodo e- e- OCV: 2.23V Capacidade Teórica : 1675mAh/g-sulfur Li+ Li+ Li+ Li+ + S 500 Electrólito Specific energy ( Wh/kg ) Future Li-S performance region (polímero ou aquopso) 400 Li Li2S Li-S, 2005 300Baterias de Lítio: Li-S, 2001 Prismatic Li-Polymer 200 100 SION POWER CORPORATION 0 PBFC-2, Las Vegas, Nevada, USA, 0 100 200 300 400 500 600 June 12-17, 2005 Energy density ( Wh/L ) 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 20
  • 21. Mobilidade Eléctrica Bateria de Lítio/Ar: Baterias Metal/Ar Segundo um relatório publicado recentemente, líquidos iónicos (também conhecidos como fluidos iónicos, sais de líquidos e electrólitos líquidos) não evaporam como água porque são formados a partir de sais que permanecem no estado líquido á temperatura ambiente. Isso inclui o cloreto de sódio e nitrato de potássio que, quando aquecidos, derretem e passam por uma mudança de fase a líquido composto quase inteiramente de iões. Tais pilhas também poderiam oferecer melhor estabilidade electroquímica (de até 5 volts, em comparação com água 1,23 volts por célula), o que significa que eles poderiam usar materiais metálicos que possuem uma maior densidade de energia do que o zinco…Baterias de Lítio: 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 21
  • 22. Mobilidade Eléctrica Baterias de Lítio: Aplicações das baterias de Lítio-Ion Bateria Secundária: - Recarregável As Baterias de iões de Lítio são aplicáveis em produtos móveis. <Características> Mobile Phone  Alta densidade energética:  Alta voltagem (três vezes mais Digital Video Camera que baterias Ni-Cd e Ni-MH; (Camcorder)  Leves;  Sem efeito de memória.Baterias de Lítio: Digital Still Camera Mobile DVD Mobile PC 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 22
  • 23. Mobilidade Eléctrica Aplicações das Bateria de iões de Lítio:Packs de baterias de EV´s Chevy Volt Nissan Leaf Prius PHEV http://autogreenmag.com/tag/chevroletvolt/page/2/ http://www.toyota.com/esq/articles/2010/Lithium_Ion http://inhabitat.com/will-the-nissan-leaf-battery-deliver- all-itpromises/ _Battery.html i-MiEV Ford Focus Fiat 500 EVBaterias de Lítio: http://www.caranddriver.com/news/car/10q4/201 http://www.metaefficient.com/cars/ford-focus- http://www.ibtimes.com/articles/79578/2010110 2_mitsubi shi_i-miev_u.s.- electricnissanleaf.html 8/sblimotivesamsung-sdi-chrysler-electric-car.htm spec_photos_and_infoauto_shows/gallery/mitsubis hi_prototype_i_miev_lithiumion_batteries_and_ele ctric_drive_system_photo_19 i-MiEV 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 23
  • 24. Mobilidade Eléctrica Veículos Hibridos(HEV) e Electricos (EV) já nas estradas HEV’s no Mercado PHEV FCHV EV Preve-se que a sua dessiminação aumente bastante nos próximos anos.. 35000 US$ Million/CY BEV 30000 PHEVBaterias de Lítio: HEV 25000 Others 20000 BT Game 15000 MP3 10000 CAM DSC 5000 PT 0 NBPC 03CY 04CY 05CY 06CY 07CY 08CY 09CY 10CY 11CY 12CY 13CY 14CY 15CY 16CY 17CY 18CY Courtesy of Dr. Ahiara, Samsung Research, Reference: Institute of Information Technology, Japan Yokohama, Japan 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 24
  • 25. Mobilidade Eléctrica Desenvolvimento das Bateria de Lítio Na década de 1970, o Lítio metal foi usado, mas a sua instabilidade tornava inseguro e pouco prático. O óxido de lítio-cobalto e a grafite são usados ​como eléctrodos nas baterias de iões de lítio. A bateria de iões de lítio tem uma densidade de energia um pouco menor do que o metal de lítio, mas é muito mais segura. Introduzida no mercado pela Sony em 1991. Vantagens das Bateria s de iões de Lítio Potência - Densidade de energia alta, significa maior potência numa embalagem menor. 160% maior do que NiMH. 220% maior do que NiCd.Baterias de Lítio: Maior tensão - uma forte corrente lhe permite potência complexa dispositivos mecânicos. Longa vida - perda de carga de apenas 5% ao mês. 10% para NiMH, 20% para NiCd. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 25
  • 26. Mobilidade Eléctrica Pilhas/Baterias Recarregáveis Li-ion  A bateria de iões de lítio é de baixa manutenção, uma vantagem que a maioria das outras químicas não pode reclamar. Não há memória e nenhum ciclo programado é exigido para prolongar a vida útil da bateria. Além disso, a auto-descarga é menos da metade em relação ao níquel-cádmio, fazendo das baterias de iões de lítio adequadas para as aplicações modernas. A reciclagem das células de iões de lítio, também não são de grande preocupação ambiental.  Apesar de suas vantagens em geral, os de iões de lítio têm suas desvantagens. Ele é frágil e requer um circuito de protecção para manter uma operação segura. Criada em cada pacote, o circuito da protecção limita a tensão de pico de cada célula durante a carga e impede a tensão da célula de ficar demasiado baixa na descarga. Além disso, a temperatura da célula é monitorada para prevenir temperaturas extremas. A carga máxima e descarga de corrente na maioria dos pacotes é limitada entre 1C e 2C. Com estas precauções tidas em conta, a possibilidade de lítio metálico sobreaquecer a devido a sobrecarga é virtualmente eliminada.Baterias de Lítio:  O envelhecimento é uma preocupação com a maioria das baterias de iões de lítio e muitos fabricantes continuam silenciosos sobre essa questão. Alguma deterioração da capacidade é perceptível após um ano, se a bateria está em uso ou não. A bateria frequentemente falha após dois ou três anos. Note-se que outras químicas também têm relacionada à idade efeitos degenerativos. Isto é especialmente verdadeiro para o níquel-metal-hidreto se exposto a altas temperaturas ambientais. Ao mesmo tempo, baterias de iões de lítio são conhecidos por ter servido durante cinco anos em algumas aplicações. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 26
  • 27. Mobilidade Eléctrica Pilhas/Baterias Recarregáveis Li-ion Os fabricantes estão melhorando constantemente os iões de lítio. Novas e aprimoradas combinações químicas são introduzidas a cada seis meses ou assim. Com um progresso tão rápido, é difícil avaliar a degradação dos iões de lítio com a idade. A bateria de iões de lítio mais económica em termos de custo/relação energética é o modelo 18650 cilíndrica (18 é o diâmetro e 650 de comprimento em mm). Esta célula é utilizada para a computadores potáveis e outras aplicações que não exigem geometria ultra-fina. Se um pacote fino é necessário, a célula de iões de lítio prismática é a melhor escolha. Estas células têm um custo maior em termos de energia armazenada. Vantagens Alta densidade de energia - potencial para capacidades ainda maiores. Quando nova uma carga normal é tudo que é necessário. Relativamente baixa auto-descarga que é menor que a metade das baterias á base de níquel Manutenção Baixa - nenhuma descarga periódica é necessária, não há memória.  Células especiais podem fornecer uma corrente muito alta para aplicações como ferramentasBaterias de Lítio: portáteis. Limitações Requer circuito de protecção para manter a tensão e corrente dentro de limites seguros. Sujeita ao envelhecimento, mesmo se não usada. Armazenamento em local fresco, 40% de carga reduz o efeito do envelhecimento.  Restrições de transporte - o embarque de grandes quantidades podem ser sujeitas a controlo regulamentar. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 27
  • 28. Mobilidade Eléctrica Produtores Mundiais de baterias de Lítio USA + Canadá 1 Alemanha 14 Japão 12 China 10 Extremo Oriente sem China e JapãoBaterias de Lítio: 47 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 28
  • 29. Mobilidade Eléctrica Aplicações das Baterias de iões de Lítio Evolução da gama de aplicações: Uso 1990’s Veicular HOJE Futuro Próximo Uso Industrial Novas aplicaçõesBaterias de Lítio: Uso estacionário 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 29
  • 30. Mobilidade Eléctrica Desvantagens das Bateria de iões de Lítio PREÇO - 40% a mais caras do que NiCd. DELICADAS -Temperatura da bateria deve ser monitorada a partir de dentro (o que aumenta o preço), e hermeticamente seladas. REGULAMENTAÇÃO -Quando o transporte Li-Ion a granel (o que também aumenta o preço). Classe 9 materiais diversos perigosos.Baterias de Lítio: ONU Manual de Ensaios e Critérios (III, 38,3) Impacto Ambiental das Bateria de iões de Lítio  As pilhas/Baterias recarregáveis ​são recicláveis. O Lítio oxidado não é tóxico e pode ser extraído da bateria, neutralizado, e usado como matéria-prima para novas baterias de lítio. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 30
  • 31. Mobilidade Eléctrica Segurança: Bateria de iões de Lítio – Problemas Térmicos Condições Externas Causa ou origina eventos estremas internos ou reacções Derrame Exotérmicas Aquecimento Externo Reacções Eléctrodo - Sobre-Carga Electrólito Fumo Sobre-Descarga Galvanização do Lítio Se o aquecimento Explosão Sobre-Corrente Decomposições excede a dissipação de Carga Penetração GásBaterias de Lítio: Curto Interno Esmagamento Reacções Choque externo Chama Electroquímicas Incendeia o electrólito 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 31
  • 32. Mobilidade Eléctrica Segurança: Bateria de iões de Lítio – Problemas Térmicos Perfuração de baterias de Lítio A bateria Cilíndrica é composta pelo ânodo, pelo cátodo e um separador. Quando um prego perfura a bateria , fará um curto- circuito e tensão irá a 0V e aumentará a temperatura. As bateria de polímeros têm as células dispostas em paralelo. A Diferença de potencial para cada par de eléctrodos é 4,2V. Quando o prego perfura um par de eléctrodos, irá causar um curto-Baterias de Lítio: 4,2V circuito nesse par, mas alguns de outros pares podem não ser perfurados. É por isso que a tensão 4,2V pode não ser 0V. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 32
  • 33. Mobilidade Eléctrica Segurança: Bateria de iões de Lítio – Problemas TérmicosBaterias de Lítio: 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 33
  • 34. Mobilidade Eléctrica Desafios das Bateria de iões de Lítio O problema com as baterias de lítio ... é que nenhum dos materiais existentes nos eléctrodos pode apresentar todas as características de desempenho exigidas, incluindo alta capacidade, a tensão de operação mais alta, e ciclo de vida longo. Consequentemente, os investigadores estão tentando optimizar materiais disponíveis dos eléctrodos através da concepção de novas estruturas compostas em nanotecnologia “. A capacidade de armazenamento de uma bateria Li-Ion é limitada pela quantidade de lítio pode ser “acumulado” no ânodo da bateria, que normalmente é feito de carbono. O silício tem uma capacidade muito maior do que o carbono, mas também tem uma desvantagem.Baterias de Lítio: Silício colocado numa bateria incha à medida que absorve os átomos de lítio carregada positivamente durante o carregamento, e encolhe durante a descarga à medida que os iões de lítio são retirados do silício. Este ciclo normalmente faz com que o silício se pulverize, degradando o desempenho da bateria. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 34
  • 35. Anode Aging Mobilidade Eléctrica Desafios das Bateria de iões de Lítio Problemas de degradação Capacidade diminui e Resistência interna aumenta devido a:  Ciclos de Carga/Descarga.  Altas temperaturas.  Baixas temperaturas durante a carga.  Química da superfície (ânodo cátodo)  Alterações de Fases/ Estruturas (Cátodo). Novos Materiais Substituir a libertação de oxigénio do material do cátodo (LiCoO2) por compostos alternativos estruturalmente mais estáveis i.e. LiFePO4Baterias de Lítio: Substituir o electrólitos de líquidos orgânicos inflamáveis, por exemplo membranas condutoras de polímeros iónicos. Substituir o material caro do Cátodo (LiCoO2) por um composto alternativo barato e abundante, idealmente cátodos á base de Ferro/Enxofre. Substituir os actuais materiais dos electrodos, por compostos alternativos que tenham maiores valores de capacidade específica... 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 35
  • 36. Mobilidade Eléctrica Desafios das Bateria de iões de Lítio para EV’s Desenvolvimentos em curso ou a desenvolver: Componente Capacidade Material Maior Capacidade Cátodo energética e maior Li FePO4, etc. estabilidade térmica. Maior Capacidade e Li4Ti5O12, Li1.1V0.9O2, Ânodo maior longevidade Si alloy, etc. Reduzir inflamabilidade Aditivos com soluções Electrólito sem reduzir performance. iónicas, fluoretos alquilos, etc. Aumentar resistência á Compósitos cerâmicos SeparadorBaterias de Lítio: tecidos não tecidos temperatura. (TNT’s) etc. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 36
  • 37. Mobilidade Eléctrica Desafios das Bateria de iões de Lítio A solução Nano tecnologia ... O lítio é armazenado numa floresta de nanofios de silício minúsculos, cada uma com um diâmetro de um milésimo da espessura de uma folha de papel. Os nanofios incham quatro vezes o seu tamanho normal, quando absorvem lítio, mas, ao contrário de outras formas de silicone, não quebra…Baterias de Lítio: Fotos tiradas por um microscópio electrónico de varredura de nanofios de silício antes (esquerda) e depois (direita) de absorção de lítio. Ambas as fotos foram tiradas com a mesma ampliação. O trabalho é descrito em “High-performance lithium battery anodes using silicon nanowires,” publicado on-line 16 de Dezembro na revista Nature Nanotechnology. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 37
  • 38. Mobilidade Eléctrica O Potencial das Bateria de iões de Lítio Eléctrodos que não se deterioram: Estanho metálico com esferas ocas de carbono. Nanofios (CNT) de silício Design da bateria 2D e 3D : "Floresta" de nano varas num eléctrodo película fina. Nano varas “ensandwichadas" (Stacked) num eléctrodo camadas finas. Nano + Li-Ion = ? Nanotecnologia e aplicações Li-Ion no sector comercial são aparentemente ... Mais leves, baterias mais potentes, maior mobilidade do utilizador eBaterias de Lítio: aumentar a vida útil do equipamento. DeWalt 36volt ferramentas eléctricas sem fios. Nanotecnologia e Li-Ion aplicações no sector residencial não são tão óbvias: HVAC Baterias do sistema de climatização? 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 38
  • 39. Mobilidade Eléctrica Desafios das Bateria de iões de Lítio  Os investigadores do MIT, estão desenvolvendo uma bateria de iões de Lítio, capaz de carregar em segundos. A descoberta pode conduzir a uma nova geração de baterias para aplicações desde portáteis a veículos eléctricos (EV’s). Baterias de iões de Lítio Compostas por folhas de eléctrodos mergulhadas num líquido (electrólito) que permite que os iões de Lítio se movam de um eléctrodo para o outro.  A velocidade a que uma bateria carrega é limitada pelo tempo de movimento dos iões de Lítio entre os eléctrodos. Para aumentar essa velocidade os cientistas estão construindo eléctrodos com nanopartículas e aditivos de Carbono.Baterias de Lítio: Polímero (ligação) Carbono negro  Para aumentar ainda mais essa velocidade, os investigadores do MIT , estão cobrindo o composto Partículas de Lítio com um revestimento cristalizado microscópico, que Source: MIT aumenta fortemente a mobilidade dos iões de Lítio. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 39
  • 40. Mobilidade Eléctrica Micro-Geração e as Bateria de iões de Lítio A alta Densidade de energia das baterias de iões de Lítio permitem alimentar máquinas complexas. As baterias de iões de Lítio carregam rapidamente e mantém a carga mais tempo, o que proporciona flexibilidade para a Micro-gerção. Particularmente útil para geradores eólicos e solares ! Leveza, potência/volume permitem flexibilidade de armazenamento e design. Background: Os resultados da investigação anual representam ganhos de capacidade das baterias de aproximadamente 6%.Baterias de Lítio: Lei de Moore: o número de transístores num chip de computador dobra a cada dois anos. (40 anos de prova!) Ideia: Se a tecnologia da bateria fosse desenvolvida ao mesmo ritmo, uma bateria de carro pesado ​seria do tamanho de uma moeda de um cêntimo. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 40
  • 41. Mobilidade Eléctrica Química das baterias ao longo dos anos!....Baterias de Lítio: Projectos 1859 1909 1975 1990 2010 2050 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 41
  • 42. Mobilidade Eléctrica Baterias Orgânicas de Lítio: Futuro? CO2 Reciclagem Li+ +2pLi+ + 2pe- Li+ p pBaterias de Lítio: Projectos x– Extracção Elaboração via Battery xLi+ Assembly green chemistry Proposta sustentável de baterias orgânicas à base de materiais de eléctrodos feitos a partir de biomassa. Myo-inositol extraído do milho pode ser usado para preparar Li2C6O6 electroquimicamente activo, enquanto o ácido málico das maçãs pode sofrer policondensação a um polyquinone que é electroquimicamente activo com o lítio. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 42
  • 43. Mobilidade Eléctrica Microbial Electrolysis Cell 3 ˃0,2V de uma fonte externa. A fermentação de resíduos 1 de plantas produz ácido acético. 4 Electrões+Protões= Hidrogénio.Baterias de Lítio: Projectos As bactérias consomem 2 ácido acético e libertam protões, electrões, CO2… 5 Hidrogénio é um combustível limpo que pode ser usado por veículos a gás e Membrana de troca de Iões veículo com fuel Cells. 22-01-2012 Por : Luís Timóteo 43
  • 44. Mobilidade Eléctrica Dúvidas?22-01-2012 Por : Luís Timóteo 44
  • 45. Mobilidade Eléctrica Bibliografias http://electrochem.cwru.edu/encycl/art-b02-batt-nonr.htm http://www.saftbatteries.com/Technologies_Lithium_Liion_301/Language/en-US/Default.aspx http://support.radioshack.com/support_tutorials/batteries/bt-liion-main.htm http://biz.maxell.com/products/industrial/battery/er/index.html http://en.wikipedia.org/wiki/Lithium_battery http://www.powerstream.com/BatteryFAQ.html http://jgdarden.com/batteryfaq/carfaq2.htm http://batteryuniversity.com/learn/article/the_high_power_lithium_ion http://data.energizer.com/PDFs/lithiuml91l92_appman.pdf http://www.profpc.com.br/pilhas_baterias.htm www.fondazioneinternazionale.org/.../Scrosati.p22-01-2012 Por : Luís Timóteo 45

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