Grafite para baterias de íons de lítio

As baterias de íons de lítio ocupam uma posição central no campo de armazenamento de energia atual. E o grafite, como um dos principais materiais das baterias de íons de lítio, não pode ter sua importância subestimada. O grafite, um mineral em camadas formado por um arranjo hexagonal de átomos de carbono, tem muitas propriedades físicas e químicas exclusivas. Isso o torna a escolha ideal para materiais de eletrodos de baterias de íon-lítio. Além disso, oferece um forte suporte para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos modernos e veículos elétricos, impulsionando a tecnologia de armazenamento de energia.

Como o grafite é usado nas baterias?

Mecanismo de incorporação e remoção de lítio

Quando uma bateria de íons de lítio é carregada, os íons de lítio são removidos do material do eletrodo positivo e migram para o eletrodo negativo por meio da solução eletrolítica. Como o grafite tem uma estrutura cristalina em camadas, esses íons de lítio podem ser incorporados às camadas de grafite. Formando uma estrutura semelhante a um "sanduíche", ou seja, um composto de intercalação de lítio-grafite. No processo de descarga, o processo é invertido. Os íons de lítio da camada de grafite voltam para o eletrodo positivo. Os elétrons fluem no circuito externo para gerar corrente e, assim, alimentar dispositivos externos. Esse mecanismo de incorporação e desincorporação é o processo central de armazenamento e liberação de energia do grafite como material de eletrodo negativo para baterias de íon-lítio. E sua reversibilidade e eficiência têm um impacto crucial sobre o desempenho geral da bateria.

Processo de reação eletroquímica

Do ponto de vista da reação eletroquímica, o eletrodo negativo de grafite tem uma reação REDOX complexa durante o processo de carga e descarga da bateria. No estágio inicial da carga, o local ativo na superfície do grafite adsorveu primeiro os íons de lítio. Com a diminuição do potencial, os íons de lítio foram gradualmente incorporados às camadas de grafite. E os elétrons fluíram para o grafite a partir do circuito externo para fazer com que o grafite sofresse uma reação de redução. Ao descarregar, pelo contrário, os íons de lítio são removidos da camada de grafite. O grafite se oxida, e os elétrons fluem para o eletrodo positivo por meio do circuito externo. Isso completa um ciclo completo de reação eletroquímica. Nesse processo, fatores como a composição e a concentração do eletrólito e as propriedades da interface entre o eletrodo e o eletrólito afetarão a taxa, a eficiência e a estabilidade da reação eletroquímica. E, assim, afetam o desempenho da bateria.

Por que o grafite é usado em baterias de íons de lítio?

Correlação entre características estruturais e desempenho

As camadas estrutura do grafite é o principal fator estrutural para sua ampla aplicação em baterias de íons de lítio. Essa estrutura em camadas faz com que o grafite tenha um grande espaçamento entre camadas. Ela oferece espaço suficiente para a incorporação e a desincorporação de íons de lítio. Isso favorece a realização de um transporte rápido de íons, melhorando assim o desempenho da taxa de carga e descarga da bateria. Ao mesmo tempo, a força de van der Waals entre as camadas é fraca. Assim, os íons de lítio podem entrar e sair da camada de grafite com relativa facilidade. Isso reduz a energia de ativação da reação e melhora a eficiência energética da bateria. Além disso, a estrutura cristalina do grafite tem alta estabilidade. Ela pode manter a integridade da estrutura durante a incorporação e a remoção repetidas de íons de lítio. Reduzir a atenuação da capacidade da bateria causada pelo colapso estrutural. E garantir o longo ciclo de vida da bateria.

Vantagens das propriedades físicas e químicas

O grafite tem boa condutividade elétrica, pode conduzir elétrons com eficiência e reduzir a resistência ohm dentro da bateria. Além disso, melhora a eficiência de carga e descarga e o desempenho de energia da bateria. Em termos de propriedades químicas, o grafite tem alta estabilidade química. E não é fácil reagir quimicamente com o eletrólito na janela de potencial de trabalho da bateria. Isso evita os efeitos adversos de gases e impurezas causados por reações colaterais no desempenho da bateria. Além disso, a estabilidade térmica do grafite é boa. E ele pode suportar o calor gerado durante o processo de carga e descarga da bateria até certo ponto. Isso reduz o risco de fuga térmica da bateria e melhora a segurança da bateria. Isso é particularmente importante para sistemas de armazenamento de energia em larga escala, veículos elétricos e outros cenários de aplicação.

Bateria de grafite versus bateria de lítio

As baterias de grafite (geralmente se referem a baterias de íons de lítio com grafite como eletrodo negativo) são diferentes das baterias de lítio em muitos aspectos. Em termos de densidade de energia, a bateria de grafite é relativamente madura e estável. E a densidade de energia pode atender à maioria dos cenários atuais. A nova bateria de lítio, como a silício-A bateria de lítio à base de silício tem uma densidade de energia teórica mais alta. Mas o material à base de silício tem uma grande alteração de volume durante a carga e a descarga, o que afeta a estabilidade do ciclo de vida da bateria de grafite.

Em termos de custo, as reservas de grafite são ricas, a tecnologia de mineração e processamento é madura. E o custo é relativamente baixo, enquanto algumas novas baterias de lítio têm custos altos devido a materiais raros ou preparação complexa.

Em termos de segurança, a bateria de grafite tem boa estabilidade térmica e não é fácil de apresentar descontrole térmico. E a nova bateria de lítio precisa ser aprimorada nesse aspecto. Atualmente, as baterias de grafite são amplamente utilizadas, mas as baterias de lítio estão se desenvolvendo rapidamente no campo da pesquisa científica. E se as baterias de lítio superarem o gargalo técnico no futuro, espera-se que formem uma situação competitiva com as baterias de grafite em algumas áreas de ponta.

Cenários de aplicação específicos de grafite em baterias de íon-lítio

Eletrônicos de consumo

Em smartphones, tablets, laptops e outros produtos eletrônicos de consumo, as baterias de íon de lítio precisam ter alta densidade de energia, ciclo de vida longo e boa segurança. Para atender à demanda dos consumidores por dispositivos finos e portáteis e por uma bateria de longa duração. As baterias de íon de lítio com eletrodo negativo de grafite podem atender bem a esses requisitos e fornecer uma fonte de alimentação estável e confiável para produtos eletrônicos de consumo. E tornam esses dispositivos capazes de operar normalmente em uma variedade de cenários de uso complexos. Por exemplo, chamadas de longa duração, jogos de alta intensidade, reprodução de vídeo etc., tornando-se uma parte indispensável da vida e do trabalho das pessoas modernas.

Campo de veículos elétricos

Com a preocupação global com a proteção ambiental e o desenvolvimento sustentável, a veículo elétrico O mercado de baterias de íons de lítio tem crescido rapidamente. Baterias de íon-lítio com negativo de grafite eletrodo fornecem o principal suporte de energia para veículos elétricos. E sua alta densidade de energia ajuda a aumentar a autonomia dos veículos elétricos e a reduzir o número de cargas. O bom desempenho de ampliação pode atender à alta demanda de energia dos veículos elétricos sob as condições de aceleração e subida. O ciclo de vida longo também reduz o custo de substituição da bateria e melhora a economia e a confiabilidade dos veículos elétricos. Ela promove o desenvolvimento vigoroso do setor de veículos elétricos. E também ajuda na transformação ecológica do setor automotivo global.

Campo do sistema de armazenamento de energia

Na geração de energia renovável (como a energia solar e a energia eólica) conectada à rede, no enchimento de pico da rede inteligente e no armazenamento de energia doméstica e em outros sistemas de armazenamento de energia, as baterias de íon de lítio precisam ter grande capacidade, longa vida útil, alta segurança e baixo custo. As baterias de íon de lítio com eletrodo negativo de grafite têm certas vantagens nesses aspectos. Elas podem armazenar com eficiência o excesso de energia elétrica e liberá-la quando necessário, equilibrando a oferta e a demanda de energia. Ela melhora a eficiência energética, aumenta a estabilidade e a confiabilidade da rede elétrica. Além disso, promove a aplicação em larga escala de energia renovável e a otimização da estrutura de energia.

 Preço da bateria de grafite

Como um recurso mineral relativamente rico, o grafite tem um custo relativamente baixo. Isso faz com que as baterias de íons de lítio com grafite como eletrodo negativo tenham uma certa competitividade de preço. Entretanto, com o rápido desenvolvimento do mercado de baterias de íon-lítio e a melhoria contínua dos requisitos de desempenho das baterias, a qualidade e a tecnologia de processamento do grafite também estão em constante atualização. Isso afetará seu custo até certo ponto. Além disso, outros custos de matéria-prima, custos de processo, custos de pesquisa e desenvolvimento e fatores de oferta e demanda do mercado no processo de produção de baterias também afetarão de forma abrangente o preço final das baterias de grafite. De modo geral, o desempenho atual das baterias de grafite é mais notável em termos de desempenho de custo. E pode atender às necessidades da maioria dos cenários de aplicação. Mas com o progresso da tecnologia e as mudanças no mercado, seu preço também pode flutuar e se ajustar de acordo.

Conclusão

Como um componente importante das baterias de íon-lítio, o grafite desempenha um papel fundamental no campo do armazenamento de energia. Suas propriedades físicas e químicas exclusivas fazem com que ele tenha vantagens óbvias no desempenho, no custo e na faixa de aplicação das baterias. Ele é amplamente utilizado em muitos campos, como eletrônicos de consumo, veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia. Além disso, promove o desenvolvimento da ciência, da tecnologia e da sociedade modernas.