Bateria de lítio-ar: diferenças entre revisões
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As melhores baterias disponíveis atualmente são do tipo íons de lítio, que são boas para telefones celulares, razoavelmente boas para notebooks, mas insuficientes para veículos elétricos, que não conseguem superar os 200 km de autonomia. Um novo t |
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'''Bateria de lítio-ar''' é uma [[bateria elétrica]] no qual o [[anodo]] é constituído do metal [[Lítio]] e o [[cátodo]] é o [[oxigênio]] do ar atmosférico, possuindo uma densidade energética de até 12000Wh/kg que é comparável a combustíveis fósseis. Todavia, devido a baixa vazão do oxigênio, [[corrosão]] metálica, temperatura de operação e potência limitada ainda não estão disponíveis comercialmente.<ref>Kinoshita,Kim. ''Electrochemical Oxygen Technology'', New York : Wiley, ©1992. pp.272-273</ref><ref>Christian Glaize, Sylvie Genies. ''[http://books.google.com.br/books?id=teEtAAAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=pt-BR&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=falseLithium Batteries and other Electrochemical Storage Systems]'', pp.13-14, acessado em 15/04/2014</ref><ref>Nobuyuki Imanishi, Alan C. Luntz and Peter Bruce, ''[http://books.google.com.br/books?id=ASuZHqHU7V4C&printsec=frontcover&hl=pt-BR&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false Handbook of Battery Materials]'', pp.1-5, acessado em 30/04/2014</ref> |
'''Bateria de lítio-ar''' é uma [[bateria elétrica]] no qual o [[anodo]] é constituído do metal [[Lítio]] e o [[cátodo]] é o [[oxigênio]] do ar atmosférico, possuindo uma densidade energética de até 12000Wh/kg que é comparável a combustíveis fósseis. Todavia, devido a baixa vazão do oxigênio, [[corrosão]] metálica, temperatura de operação e potência limitada ainda não estão disponíveis comercialmente.<ref>Kinoshita,Kim. ''Electrochemical Oxygen Technology'', New York : Wiley, ©1992. pp.272-273</ref><ref>Christian Glaize, Sylvie Genies. ''[http://books.google.com.br/books?id=teEtAAAAQBAJ&printsec=frontcover&hl=pt-BR&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=falseLithium Batteries and other Electrochemical Storage Systems]'', pp.13-14, acessado em 15/04/2014</ref><ref>Nobuyuki Imanishi, Alan C. Luntz and Peter Bruce, ''[http://books.google.com.br/books?id=ASuZHqHU7V4C&printsec=frontcover&hl=pt-BR&source=gbs_ge_summary_r&cad=0#v=onepage&q&f=false Handbook of Battery Materials]'', pp.1-5, acessado em 30/04/2014</ref> |
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As melhores baterias disponíveis atualmente são do tipo íons de lítio, que são boas para telefones celulares, razoavelmente boas para notebooks, mas insuficientes para veículos elétricos, que não conseguem superar os 200 km de autonomia. Um novo tipo de bateria, chamada bateria de ar-lítio, é muito mais interessante porque sua densidade teórica de energia é 1.000 vezes maior do que as baterias de íons de lítio, o que a coloca praticamente em condições de igualdade com a gasolina. Em vez de usar óxidos metálicos no eletrodo positivo, as baterias de lítio-ar usam carbono, que é mais leve e mais barato, e reage com o oxigênio do ar ambiente para produzir uma corrente elétric |
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== 1 Funcionamento da bateria a ar == |
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As baterias recarregáveis de lítio atuais são formadas por um eletrodo negativo, feito de grafite, um eletrólito orgânico e um eletrodo positivo, feito de óxido de lítio-cobalto. O lítio é retirado do composto do eletrodo positivo durante o carregamento da bateria e reinserido nele quando sua energia está sendo consumida. Ou seja, a capacidade de armazenamento de energia dessas baterias é limitada pelo eletrodo de óxido de lítio-cobalto (0,5 Li/Co, 130 mAhg-1). Os pesquisadores substituíram o óxido de lítio-cobalto por um eletrodo poroso de carbono, permitindo que os íons de lítio reajam com o oxigênio do ar. Os resultados iniciais, quando os pesquisadores descobriram que poderiam criar uma bateria recarregável desta forma, mostraram uma capacidade de 1.000 mili-amp/hora por grama de carbono (mA/hours/g). Os resultados agora apresentados já revelam uma capacidade de 4.000 mA/hours/g. Embora os dois designs sejam muito diferentes, a capacidade de energia da bateria a ar equivale a um incremento de 8 vezes quando comparada com a bateria de um telefone celular. O oxigênio, que é capturado do ar atmosférico por uma superfície da bateria exposta ao ar, reage no interior dos poros do material de carbono para liberar a energia contida na bateria. Além do oxigênio do ar ser de graça, a esponja de carbono pode ser fabricada de forma muito barata mesmo hoje, quando ainda não há ganhos de escala |
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=== 1.2 Substituindo óxido de lítio por oxigênio do ar === |
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A maior capacidade de armazenamento de energia da nova bateria deve-se à adição de um componente que utiliza o oxigênio retirado do ar atmosférico durante o descarregamento, quando a bateria está sendo utilizada. O oxigênio substitui um dos compostos químicos utilizados nas baterias recarregáveis atuais. Sem precisar conter o composto químico em seu interior, o novo design oferece mais energia para o mesmo volume de bateria. A redução do tamanho e do peso das baterias é um dos elementos necessários para viabilizar definitivamente os veículos elétricos. A bateria a ar, batizada de STAIR (Saint Andrews Air), deverá ser mais barata do que as atuais baterias recarregáveis. Isto porque o novo componente é feito de carbono poroso, que é muito mais barato do que o óxido de lítio-cobalto utilizado hoje. |
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=== 1.3 Eletrólito promissor === |
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Desde que se descobriu a possibilidade técnica de construir baterias de lítio-ar que inúmeros grupos de pesquisas ao redor do mundo vêm tentando fabricar essa bateria que respira. Os cálculos indicam que uma bateria de ar-lítio pode armazenar 10 vezes ou mais energia do que as melhores baterias de íons de lítio disponíveis no mercado atualmente. A principal diferença entre as baterias de íons de lítio e a bateria de lítio-ar é que esta substitui o catodo tradicional - um componente-chave da bateria envolvido no fluxo da corrente elétrica - pelo ar atmosférico. Isso torna a bateria recarregável mais leve e com maior densidade de energia. O problema é que tem sido difícil construir essas baterias de forma que elas consigam respirar por longos períodos sem se degradar.as instabilidades químicas limitam a vida útil das baterias de lítio-ar, que suportam poucos ciclos de carga e descarga - algo impraticável para os veículos elétricos. o oxigênio do ar reage não apenas com o eletrodo de carbono, mas também com o eletrólito, a solução condutora que transporta os íons de lítio entre os eletrodos.adicionar água ao eletrólito, o material que conduz os elétrons entre os eletrodos foi a soluçâo encontrada. Esse design "aquoso" impede que o lítio reaja com os gases da atmosfera, além de permitir reações mais rápidas no eletrodo "aéreo". Para evitar que a água danifique o lítio, os pesquisadores fizeram um sanduíche de polímero com alta condutividade e um eletrólito sólido entre o eletrodo de lítio e a solução aquosa. O resultado foi uma bateria com capacidade para reter o dobro da energia de uma bateria de íons de lítio convencional. |
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=== 1.4 Lítio metálico === |
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O lítio, quando em sua forma pura, metálica - como o utilizado nas emergentes baterias de lítio-ar - é altamente reativo na presença mesmo de quantidades minúsculas de água. Isto não é um problema nas baterias atuais de íons de lítio porque seus eletrodos negativos são feitos com materiais à base de carbono, esse problema pode ser eliminando substituindo necessidade do uso de lítio metálico, trocando por grafite ou outro material mais estável. |
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=== 1.5 Dendritos === |
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As baterias de íons de lítio são as mais eficientes disponíveis comercialmente, e são as grandes responsáveis pela viabilização dos telefones celulares e de todos os demais dispositivos eletrônicos móveis. Mas elas têm uma deficiência séria: ao longo de vários ciclos de carga e descarga, particularmente se as baterias forem carregadas rapidamente, começam a se formar minúsculas fibras de lítio, conhecidas como dendritos. Formando-se sobre os ânodos de carbono, essas fibras de lítio podem causar curto-circuitos, fazendo com que a bateria superaqueça rapidamente e pegue fogo. Os cientistas conhecem os dendritos há bastante tempo, e vinham usando modelos teóricos e ópticos, além de microscopia eletrônica de varredura, para estudar sua formação. Mas ninguém até agora havia encontrado uma maneira de quantificar os dendritos formados no interior da bateria. Como são microscópicos, é difícil rastrear sua formação, e não era possível responsabilizá-los pelas explosões.Essas fibras mortas de lítio têm sido um obstáculo significativo à comercialização de uma nova geração de baterias de maior capacidade que usam o lítio metálico como anodo, em vez do carvão utilizado hoje. Essas baterias de lítio com maior densidade de carga são a grande promessa para a utilização em veículos híbridos e elétricos. |
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== 2 Fontes de energia limpa == |
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Os pesquisadores esperam ter a bateria pronta para comercialização em cerca de dois anos, o que poderá criar uma nova geração de veículos elétricos e viabilizar fontes alternativas de energia limpa, como a energia solar e a energia eólica. |
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Com baterias mais eficientes, a energia captada durante os momentos de ventos fortes e durante o dia poderá ser armazenada para liberação durante os momentos de calmaria e à noite, transformando os geradores solares e eólicos em fontes de suprimento contínuo de eletricidade |
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Revisão das 23h06min de 17 de abril de 2014
Bateria de lítio-ar é uma bateria elétrica no qual o anodo é constituído do metal Lítio e o cátodo é o oxigênio do ar atmosférico, possuindo uma densidade energética de até 12000Wh/kg que é comparável a combustíveis fósseis. Todavia, devido a baixa vazão do oxigênio, corrosão metálica, temperatura de operação e potência limitada ainda não estão disponíveis comercialmente.[1][2][3]
As melhores baterias disponíveis atualmente são do tipo íons de lítio, que são boas para telefones celulares, razoavelmente boas para notebooks, mas insuficientes para veículos elétricos, que não conseguem superar os 200 km de autonomia. Um novo tipo de bateria, chamada bateria de ar-lítio, é muito mais interessante porque sua densidade teórica de energia é 1.000 vezes maior do que as baterias de íons de lítio, o que a coloca praticamente em condições de igualdade com a gasolina. Em vez de usar óxidos metálicos no eletrodo positivo, as baterias de lítio-ar usam carbono, que é mais leve e mais barato, e reage com o oxigênio do ar ambiente para produzir uma corrente elétric
1 Funcionamento da bateria a ar
As baterias recarregáveis de lítio atuais são formadas por um eletrodo negativo, feito de grafite, um eletrólito orgânico e um eletrodo positivo, feito de óxido de lítio-cobalto. O lítio é retirado do composto do eletrodo positivo durante o carregamento da bateria e reinserido nele quando sua energia está sendo consumida. Ou seja, a capacidade de armazenamento de energia dessas baterias é limitada pelo eletrodo de óxido de lítio-cobalto (0,5 Li/Co, 130 mAhg-1). Os pesquisadores substituíram o óxido de lítio-cobalto por um eletrodo poroso de carbono, permitindo que os íons de lítio reajam com o oxigênio do ar. Os resultados iniciais, quando os pesquisadores descobriram que poderiam criar uma bateria recarregável desta forma, mostraram uma capacidade de 1.000 mili-amp/hora por grama de carbono (mA/hours/g). Os resultados agora apresentados já revelam uma capacidade de 4.000 mA/hours/g. Embora os dois designs sejam muito diferentes, a capacidade de energia da bateria a ar equivale a um incremento de 8 vezes quando comparada com a bateria de um telefone celular. O oxigênio, que é capturado do ar atmosférico por uma superfície da bateria exposta ao ar, reage no interior dos poros do material de carbono para liberar a energia contida na bateria. Além do oxigênio do ar ser de graça, a esponja de carbono pode ser fabricada de forma muito barata mesmo hoje, quando ainda não há ganhos de escala
1.2 Substituindo óxido de lítio por oxigênio do ar
A maior capacidade de armazenamento de energia da nova bateria deve-se à adição de um componente que utiliza o oxigênio retirado do ar atmosférico durante o descarregamento, quando a bateria está sendo utilizada. O oxigênio substitui um dos compostos químicos utilizados nas baterias recarregáveis atuais. Sem precisar conter o composto químico em seu interior, o novo design oferece mais energia para o mesmo volume de bateria. A redução do tamanho e do peso das baterias é um dos elementos necessários para viabilizar definitivamente os veículos elétricos. A bateria a ar, batizada de STAIR (Saint Andrews Air), deverá ser mais barata do que as atuais baterias recarregáveis. Isto porque o novo componente é feito de carbono poroso, que é muito mais barato do que o óxido de lítio-cobalto utilizado hoje.
1.3 Eletrólito promissor
Desde que se descobriu a possibilidade técnica de construir baterias de lítio-ar que inúmeros grupos de pesquisas ao redor do mundo vêm tentando fabricar essa bateria que respira. Os cálculos indicam que uma bateria de ar-lítio pode armazenar 10 vezes ou mais energia do que as melhores baterias de íons de lítio disponíveis no mercado atualmente. A principal diferença entre as baterias de íons de lítio e a bateria de lítio-ar é que esta substitui o catodo tradicional - um componente-chave da bateria envolvido no fluxo da corrente elétrica - pelo ar atmosférico. Isso torna a bateria recarregável mais leve e com maior densidade de energia. O problema é que tem sido difícil construir essas baterias de forma que elas consigam respirar por longos períodos sem se degradar.as instabilidades químicas limitam a vida útil das baterias de lítio-ar, que suportam poucos ciclos de carga e descarga - algo impraticável para os veículos elétricos. o oxigênio do ar reage não apenas com o eletrodo de carbono, mas também com o eletrólito, a solução condutora que transporta os íons de lítio entre os eletrodos.adicionar água ao eletrólito, o material que conduz os elétrons entre os eletrodos foi a soluçâo encontrada. Esse design "aquoso" impede que o lítio reaja com os gases da atmosfera, além de permitir reações mais rápidas no eletrodo "aéreo". Para evitar que a água danifique o lítio, os pesquisadores fizeram um sanduíche de polímero com alta condutividade e um eletrólito sólido entre o eletrodo de lítio e a solução aquosa. O resultado foi uma bateria com capacidade para reter o dobro da energia de uma bateria de íons de lítio convencional.
1.4 Lítio metálico
O lítio, quando em sua forma pura, metálica - como o utilizado nas emergentes baterias de lítio-ar - é altamente reativo na presença mesmo de quantidades minúsculas de água. Isto não é um problema nas baterias atuais de íons de lítio porque seus eletrodos negativos são feitos com materiais à base de carbono, esse problema pode ser eliminando substituindo necessidade do uso de lítio metálico, trocando por grafite ou outro material mais estável.
1.5 Dendritos
As baterias de íons de lítio são as mais eficientes disponíveis comercialmente, e são as grandes responsáveis pela viabilização dos telefones celulares e de todos os demais dispositivos eletrônicos móveis. Mas elas têm uma deficiência séria: ao longo de vários ciclos de carga e descarga, particularmente se as baterias forem carregadas rapidamente, começam a se formar minúsculas fibras de lítio, conhecidas como dendritos. Formando-se sobre os ânodos de carbono, essas fibras de lítio podem causar curto-circuitos, fazendo com que a bateria superaqueça rapidamente e pegue fogo. Os cientistas conhecem os dendritos há bastante tempo, e vinham usando modelos teóricos e ópticos, além de microscopia eletrônica de varredura, para estudar sua formação. Mas ninguém até agora havia encontrado uma maneira de quantificar os dendritos formados no interior da bateria. Como são microscópicos, é difícil rastrear sua formação, e não era possível responsabilizá-los pelas explosões.Essas fibras mortas de lítio têm sido um obstáculo significativo à comercialização de uma nova geração de baterias de maior capacidade que usam o lítio metálico como anodo, em vez do carvão utilizado hoje. Essas baterias de lítio com maior densidade de carga são a grande promessa para a utilização em veículos híbridos e elétricos.
2 Fontes de energia limpa
Os pesquisadores esperam ter a bateria pronta para comercialização em cerca de dois anos, o que poderá criar uma nova geração de veículos elétricos e viabilizar fontes alternativas de energia limpa, como a energia solar e a energia eólica.
Com baterias mais eficientes, a energia captada durante os momentos de ventos fortes e durante o dia poderá ser armazenada para liberação durante os momentos de calmaria e à noite, transformando os geradores solares e eólicos em fontes de suprimento contínuo de eletricidade
Referências
- ↑ Kinoshita,Kim. Electrochemical Oxygen Technology, New York : Wiley, ©1992. pp.272-273
- ↑ Christian Glaize, Sylvie Genies. Batteries and other Electrochemical Storage Systems, pp.13-14, acessado em 15/04/2014
- ↑ Nobuyuki Imanishi, Alan C. Luntz and Peter Bruce, Handbook of Battery Materials, pp.1-5, acessado em 30/04/2014
