Você provavelmente já os viu em seu laptop. Eles estão no seu telefone. Ele alimenta os PDAs e reprodutores de mídia que carregamos. A razão pela qual esses dispositivos existem em sua forma atual é simples. Baterias de íon de lítio oferecem uma grande quantidade de energia em relação ao seu peso. É também uma das opções recarregáveis mais poderosas do mercado.
Mas você provavelmente já ouviu histórias de terror. As baterias de íon de lítio podem pegar fogo. Isto é raro, com cerca de dois ou três pacotes em um milhão enfrentando esta falha. Mas quando falha, as consequências são violentas. As taxas de falhas podem disparar, provocando recalls globais e custando milhões de dólares aos fabricantes.
Então, por que eles são tão populares? Por que pega fogo? O que podemos realmente fazer para evitá-lo ou fazê-lo durar? Estamos quebrando a ciência e a segurança.
Benefícios da densidade energética
A tecnologia de íons de lítio é popular porque supera a química tradicional em quase todas as métricas importantes para os consumidores.
Primeiro é o peso. Uma bateria típica de íons de lítio pode armazenar 150 watts-hora de energia em apenas um quilograma. Comparado com outros tipos comuns, a diferença é enorme. Baterias NiMH (níquel-hidreto metálico) podem armazenar 100 watts-hora por quilograma, mas 60-70 watts-hora são mais comuns. Baterias de chumbo-ácido? Difícil armazenar 25 watts-hora por quilo.
Para obter a mesma energia do chumbo-ácido, você precisa de uma bateria de 6 kg. Isso é uma diferença de 6x. Os eletrodos são feitos de lítio e carbono leves. O lítio é muito reativo. Suas ligações atômicas armazenam grandes quantidades de energia, dando às baterias de íons de lítio uma alta densidade de energia.
Sem efeito de memória e autodescarga lenta
Deixando de lado o peso, essas baterias mantêm a carga muito melhor do que suas antecessoras. As baterias de íon de lítio perdem apenas cerca de 5% de sua carga por mês. As baterias NiMH perdem 20% de sua carga. Se você deixar os dispositivos sozinhos por um mês, não estará começando do zero.
Também não há efeito de memória. Não há necessidade de esvaziá-lo completamente antes de carregar. Essa conveniência mudou a forma como usamos dispositivos eletrônicos portáteis. Carregue sua bateria quando quisermos, não porque a bateria exija.
As baterias de íons de lítio podem suportar centenas de ciclos de carga e descarga sem degradação significativa. Para o usuário médio, isso significa anos de serviço confiável.
As falhas: degradação e perigo
Essas baterias não são perfeitas. Eles têm sérias fraquezas.
A deterioração começa assim que sai da fábrica. A vida útil das baterias de íon de lítio é de 2 a 3 anos a partir da data de fabricação. Mesmo que você não abra, o tempo os mata.
O calor é seu inimigo. As altas temperaturas fazem com que as baterias de íons de lítio se desgastem muito mais rápido do que o normal. Deixar seu telefone em um carro quente pode encurtar sua vida útil.
As baterias de íon de lítio falham se estiverem completamente descarregadas. Uma descarga profunda destrói os produtos químicos permanentemente.
Você também precisa de um computador de bordo para controlar a unidade. Isso adiciona custo e complexidade. As baterias de íon de lítio requerem este sistema de gerenciamento para evitar sobrecarga e descarga excessiva. Isso os torna mais caros do que baterias simples.
Também existe risco de incêndio. Se a bateria de íons de lítio não estiver funcionando, há uma pequena chance de ela pegar fogo. Este não é apenas um risco teórico. Este é um perigo conhecido e os fabricantes trabalham constantemente para reduzi-lo.
Química interna
Para entender por que essas baterias se comportam dessa maneira, precisamos olhar para dentro delas. A química determina tudo, desde por que algo é leve até por que explode. Iremos mergulhar nisso a seguir.
Você não encontrará nada mágico ao desmontar a bateria de um laptop. São apenas células e circuitos. Isso não é recomendado. Um curto-circuito nas baterias de íons de lítio pode causar incêndio. Mas uma vez que você possa desmontá-lo com segurança, você descobrirá que sua estrutura interna é surpreendentemente consistente, independentemente da marca ou modelo.
O núcleo consiste em uma bateria de íons de lítio. Eles vêm em duas formas principais. As baterias cilíndricas parecem baterias AA superdimensionadas. As células prismáticas são retângulos planos. Eles são empilhados ou embrulhados dentro de uma concha de metal. Essa casca não é apenas uma embalagem. Ele mantém pressão. Quando a pressão interna fica muito alta devido ao calor ou sobrecarga, a ventilação se abre. Ele libera gás. A bateria provavelmente acabará depois disso. Este é um dispositivo à prova de falhas. Evite cenários de explosão. Existem também interruptores de coeficiente de temperatura positivo (PTC). Corta energia se as coisas ficarem muito quentes.
Mas a verdadeira história é o controlador.
Cérebro em um tijolo
Enterrada entre as células está uma pequena placa de sistema. É basicamente um microcontrolador. Este Sistema de gerenciamento de bateria cuida de tudo.
Monitoramento e controle incluem:
- Sensor de temperatura verifica constantemente o nível de temperatura.
- Conversores e reguladores de tensão mantêm a corrente e a tensão dentro de limites seguros.
Conector protegido para laptop permite que energia e dados fluam entre a bateria e o laptop. - Voltage Tap monitora a capacidade de energia de cada bateria.
- Monitor de status de carregamento funciona como um minicomputador. Ajuste o processo de download para maximizar a velocidade e a saturação.
Este computador é complexo. Funciona retirando sua própria energia da bateria. As baterias de íon-lítio têm baixo consumo de energia e perdem cerca de 5% de sua carga por mês quando não estão em uso.
Por que minha bateria está vazia?
O sistema de gestão possui regras rígidas. Se a bateria ficar muito quente durante o uso ou carregamento, o controlador desligará a energia. Está tentando esfriar. Você pode ter visto isso antes. Deixe seu laptop em um carro quente. Tente ligá-lo. O controlador da bateria impede a partida. Espere a temperatura cair.
Ele também monitora a saúde de suas células. A unidade da bateria desliga quando a bateria está completamente vazia. A descarga profunda pode destruir as baterias de íon de lítio. O controlador não permitirá que você use um pacote danificado.
Ele também rastreia os ciclos de carga/descarga. Essas informações são inseridas no medidor de bateria do laptop. É assim que o sistema operacional sabe quanta energia resta. Isto não é um palpite. Está obtendo dados em tempo real do computador de bordo.
A caixa de metal é muito importante
A caixa geralmente é de metal. Isso não é arbitrário. As baterias de íon de lítio funcionam sob pressão. As caixas de metal podem suportar essa pressão. Também protege os componentes eletrônicos internos.
O orifício de ventilação é crítico. É sensível à pressão. Se a bateria superaquecer a ponto de uma possível explosão, o excesso de gás será liberado pelas aberturas de ventilação. É uma rua de mão única. Uma vez ventilado, o selo está quebrado. A bateria está comprometida.
O interruptor PTC funciona em conjunto com o respiradouro. À medida que a temperatura aumenta, a resistência aumenta para evitar o superaquecimento. Isso restringe o fluxo de corrente. Isso economiza tempo até que o sistema esfrie ou o usuário desconecte o carregador.
Esses recursos de segurança são a razão pela qual as baterias modernas não explodem toda vez que são carregadas. Mas também significam que as baterias são mais complexas do que o simples armazenamento de energia. É o ingrediente ativo. Estou pensando sobre isso. Está decidido. Em alguns casos, você pode ser solicitado a esperar.
Dentro da célula
Remova o invólucro de metal para revelar uma longa espiral. Não são apenas fios. É feito pressionando firmemente três fatias finas.
–Positivo
–Pólo Negativo
– separador
Mergulhe em um solvente orgânico. O éter é muito comum aqui. O solvente faz o trabalho pesado como eletrólito.
Os separadores são heróis desconhecidos. Esta é uma folha de plástico microporosa. Fino como papel de seda. Seu trabalho é simples, mas rigoroso. Impede que os terminais positivos e negativos se toquem. O contato causa um curto-circuito. No entanto, permite a passagem de íons. Esses poros são pequenos o suficiente para evitar o contato físico, mas abertos o suficiente para permitir que o lítio nade.
A composição química interna é específica. O óxido de lítio-cobalto (LiCoO2) é usado como eletrodo positivo. Eletrodo negativo? Apenas carbono.
O equilíbrio muda durante o carregamento. Os íons de lítio saem do LiCoO2. Eles passam por eletrólitos. Eles pousam no carbono.
A descarga inverte o fluxo. Os íons retornam do carbono para LiCoO2.
Este é um loop simples. No entanto, se você cometer um erro, seu telefone queimará.
As reações químicas dentro de uma bateria de íons de lítio são um jogo de alta voltagem. Cada célula individual produz 3,7 volts. Este número é importante porque é mais do que o dobro de 1,5 volts de uma bateria alcalina AA padrão. Você pode comprá-los em qualquer supermercado. Uma tensão mais alta significa que menos baterias precisam ser conectadas em série para alimentar o dispositivo. Menos células significa menos espaço físico. Essa eficiência torna os smartphones muito finos e leves. Isso não é mágica. Apenas aumenta a densidade de energia.
Vantagens da tensão na tecnologia portátil
Se você já comparou um telefone flip antigo e desajeitado a uma folha de vidro moderna, a diferença está em sua composição química. As baterias alcalinas são grandes. Várias unidades são necessárias para atingir as tensões necessárias para circuitos complexos. As baterias de íon de lítio podem executar a mesma função com uma fração do tamanho. Este compacto é a principal razão pela qual temos dispositivos de bolso. Mas também existem compromissos. Alta densidade de energia também significa que alta energia será liberada se algo der errado. Chegaremos à parte da explosão em breve. Primeiro, vamos descobrir como fazer com que dure mais.
Prolongue a vida útil da bateria
Queremos prolongar a vida útil das baterias de íons de lítio. Ninguém quer carregar um tijolo que vai desmoronar antes do meio-dia. O objetivo é prolongar a vida útil das baterias de íons de lítio sem complicar desnecessariamente as tarefas diárias. Este produto químico é sensível ao calor e a condições extremas de carga.
– Evite descargas completas. ** Deixar o telefone morrer completamente pode sobrecarregar os eletrólitos.
– ** Não fique 100% para sempre. ** A tensão máxima acelera a degradação.
– Mantenha a calma. ** O calor é seu inimigo. Não deixe o aparelho em um carro quente.
A maioria dos fabricantes recomenda manter a carga entre 20% e 80% para uso diário. Isso não significa que seja perfeito. Isso reduz o estresse nos componentes internos. Não são necessários aplicativos especiais para gerenciá-lo. Retire-o apenas quando a bateria estiver quase cheia. Não drene até zero.
Por que as baterias de íons de lítio explodem?
Você provavelmente já ouviu a história. O telefone está pegando fogo. Laptops pegando fogo. Parece ficção científica. Mas este é um grande risco para a química do íon de lítio. Por que explode?
A resposta está nos eletrólitos. Inflamável. A fuga térmica ocorre quando as estruturas internas falham. O calor aumenta. O calor produz mais calor. O separador entre o ânodo e o cátodo derrete. Os dois lados se tocam. Ocorreu um curto-circuito. Eletrólitos inflamáveis podem pegar fogo.
Isso não acontece com frequência. Os dispositivos modernos possuem circuitos de segurança que cortam a energia antes que fiquem muito quentes. Mas quando a segurança é comprometida, as consequências são violentas. A pressão dentro da caixa fechada aumenta. Eventualmente, a casca quebra. A ventilação acontece. Pode ocorrer ignição.
Exploramos como a alta tensão pode tornar essas baterias compactas e eficientes. Vimos como prolongar sua vida útil. Já discutimos os perigos da fuga térmica. A tecnologia é poderosa. Também é instável. Existe um equilíbrio delicado entre desempenho e segurança. Usamos esses dispositivos todos os dias. Você confia neles para não incendiarem sua casa. Na maioria dos casos, esta confiança é justificada. Mas a química subjacente ainda é forte.
Maximize a vida útil e a segurança da bateria
As baterias de íon de lítio são caras. Se você deseja que seu produto dure mais tempo na garantia, você precisa mudar a forma como o manuseia. A química não gosta de descargas profundas. Prefere um ciclo de esvaziamento parcial. Não reduza a tensão a zero. Causa danos permanentes às células. Não tem “efeito memória”, portanto o carregamento antecipado não danificará a bateria. Fique longe do fundo absoluto.
O envelhecimento é inevitável. Esses pacotes duram de dois a três anos. Não recolha baterias pensando que durarão cinco anos, mesmo que você nunca as tenha conectado. Não. Ao comprar peças de reposição, verifique a data de fabricação. Deixá-lo na prateleira por um ano reduzirá sua vida útil.
O calor é seu inimigo. As altas temperaturas podem degradar rapidamente o desempenho dos componentes internos. Mantenha seu dispositivo fresco.
Por que as baterias de íons de lítio explodem?
Sabemos como eles duram. Agora vamos considerar por que eles às vezes falham catastroficamente.
Um incêndio começa quando a temperatura interna aumenta e o eletrólito se inflama. Vídeos virais de laptops fumegantes comprovam a gravidade do problema. O relatório da Canadian Broadcasting Corporation (CBC) “Summer of Laptop Explosions” descreve vários desses incidentes.
Esses incêndios geralmente são causados por curtos-circuitos internos. Dentro de uma bateria de íons de lítio, um separador separa os eletrodos positivos e negativos. Se esse separador perfurar, os eletrodos se tocarão. Como resultado, aquece rapidamente. Você provavelmente já viu isso acontecer quando tinha uma bateria de 9 volts no bolso. Se você causar curto-circuito nos terminais com uma moeda, etc., será gerada uma quantidade considerável de calor.
Nas baterias de íon-lítio, esse curto-circuito ocorre internamente. A quantidade de energia liberada é enorme. O calor libera o solvente orgânico usado como eletrólito. Uma faísca ou calor ambiente pode causar um incêndio. Se uma bateria pegar fogo, a cascata térmica pode se espalhar para outras partes da bateria. Toda a unidade sobe.
Incêndios são raros. Ainda assim, alguns incidentes e algumas notícias foram suficientes para desencadear um grande recall.
Perguntas frequentes sobre tecnologia de íons de lítio
Quanto tempo dura uma bateria de íon de lítio?
Pode suportar centenas de ciclos de carregamento. Na realidade, a vida útil esperada é de 2 a 3 anos antes que a capacidade se deteriore significativamente.
O que exatamente é uma bateria de íon de lítio?
Bateria recarregável em laptops e telefones celulares. Quando os íons de lítio se movem do eletrodo negativo através do eletrólito para o eletrodo positivo, a eletricidade é gerada.
Quanto custam as baterias de íon de lítio?
A BloombergNEF relata que o custo médio em 2020 foi de US$ 137 por quilowatt-hora. As baterias dos smartphones custam entre US$ 2 e US$ 4. As baterias de veículos elétricos custam entre US$ 7.000 e US$ 20.000. Os preços caíram cerca de 88% nos últimos 10 anos e continuarão a cair.
Quais são as principais desvantagens?
Às vezes pode pegar fogo. A taxa de falha é muito baixa, cerca de dois a três maços por milhão. É muito sensível ao calor, o que acelera a sua deterioração. O envelhecimento começa assim que sai da fábrica. O tempo não utilizado não para o relógio.
Existe tecnologia de bateria melhor?
Ainda não. Atualmente, não existe outra tecnologia de bateria que possa competir com a tecnologia de íons de lítio. Maior densidade de energia é alcançada. Suporta vários ciclos. Ele carrega mais rápido. E em muitos casos são mais seguros de usar do que as alternativas.
