Diferença entre bateria de lítio e bateria de íon de lítio - resumo de 10 anos de experiência de engenheiros profissionais (última edição de 2024)

O importante papel das baterias

Nesta era de dispositivos inteligentes e totalmente conectados, a revolução na tecnologia de baterias está remodelando a maneira como vivemos. De smartphones quando o alarme dispara pela manhã, a e-bikes no trajeto, de teclados e mouses sem fio em mesas a dispositivos médicos portáteis em hospitais, as baterias tornam nossas vidas mais convenientes e eficientes. No entanto, quando se trata da diferença entre baterias de lítio e baterias de íons de lítio, até mesmo os entusiastas da tecnologia costumam ficar confusos. Este artigo ajudará os leitores a entender verdadeiramente as diferenças essenciais entre essas duas tecnologias-chave de energia por meio de uma análise aprofundada.

Na onda da transformação digital, tornou-se especialmente importante entender a diferença entre baterias de lítio e baterias de íons de lítio. A aplicação da tecnologia de bateria penetrou em todos os aspectos da vida moderna:

Eletrônicos de consumo:

(1) Smartphones: suportam os requisitos de fornecimento contínuo de energia de redes 5G e telas grandes

(2) Laptop: atenda aos requisitos de bateria de longa duração para escritório móvel

(3) Wearable inteligente: fornece fonte de alimentação estável para relógios inteligentes e pulseiras esportivas

(4) Câmera digital: garantir a operação confiável de equipamentos fotográficos profissionais

Aplicações industriais:

(1) Robôs industriais: manter a operação contínua de linhas de produção automatizadas

(2) Fonte de alimentação de backup de emergência: garanta o fornecimento de energia ininterrupto dos principais equipamentos

(3) Equipamento médico: apoiar a operação estável de dispositivos médicos portáteis

(4) Instrumentos de pesquisa científica: fornecer energia limpa para equipamentos de medição de precisão

Transporte de novas energias:

(1) Veículos elétricos: a principal fonte de energia para a condução de veículos de nova energia

(2) Bicicletas elétricas: fornecem energia verde para viagens urbanas de curta distância

(3) Scooters elétricos: suportam a manobrabilidade de microveículos

(4) Sistema híbrido: para ajudar os veículos tradicionais a combustível a melhorar a eficiência de combustível

O papel das baterias de lítio

A bateria de lítio, como uma tecnologia revolucionária de bateria primária, reside no uso de metal de lítio ou liga de lítio como material do ânodo. Essa escolha não foi acidental, mas foi baseada na química única do lítio.

Material do ânodo para bateria de lítio:

(1) Folha de metal de lítio: a pureza é ≥ 99,9% e a espessura é geralmente de 0,1-0,5 mm

(2) Liga de lítio: como liga de alumínio e lítio, melhora o desempenho de segurança

(3) Tratamento de superfície: processo especial de passivação para evitar a oxidação

(4) Coletor de corrente: malha de níquel ou malha de aço inoxidável para garantir a condutividade

Os materiais catódicos das baterias de lítio normalmente incluem:

Dióxido de manganês (MnO2): baixo custo e boa segurança

Plataforma de tensão: 3.0V

Capacidade específica: Aprox. 280mAh/g/

Dióxido de enxofre (SO2): alta densidade de energia

Faixa de temperatura operacional: -55 ° C a + 70 ° C

Vida útil de armazenamento: > 10 anos

Cloreto de tionila (SOCl2): maior densidade de energia

Densidade de energia: 650Wh/kg

Taxa de auto-descarga: <1%/ano

3. O eletrólito é um sistema não aquoso, geralmente um sal de lítio dissolvido em um solvente orgânico, que pode evitar uma reação violenta entre o lítio e a água.

Solvente orgânico:

Carbonato acrílico (PC)

Dimetoxietano (DME)

Tetrahidrofurano (THF)

Sais de lítio:

Perclorato de lítio (LiClO4)

Hexafluoroarseniato de lítio (LiAsF6)

Aditivo:

Intensificadores condutores

Aditivos formadores de filme

Como funciona

O processo de trabalho das baterias de lítio pode ser descrito como elegante e eficiente:

(1) Fase inicial da alta:

O lítio metálico sofre uma reação de oxidação no ânodo, liberando elétrons e formando íons de lítio

Li → Li+ + e-

Mobilidade iônica:

Os íons de lítio migram para o cátodo por meio de uma solução eletrolítica

Condução de elétrons:

Os elétrons alcançam o cátodo através do circuito externo e conduzem o equipamento elétrico a funcionar

Reação catódica:

Os íons de lítio sofrem uma reação de redução com elétrons no cátodo

Este processo é uma reação química irreversível, o que explica a ciência de por que as baterias de lítio não podem ser carregadas.

Características notáveis:

Excelentes vantagens de desempenho das baterias de lítio:

A densidade de energia é de até 500Wh/kg

A tensão de operação está entre 3,0 V e 3,6 V

A taxa de autodescarga é tão baixa quanto menos de 1% ao ano

Ampla faixa de temperatura (-40 ° C a + 60 ° C)

A vida útil de armazenamento é superior a 10 anos

Considerações de segurança

A segurança é uma área chave de foco no uso de baterias de lítio:

(1) A alta atividade do lítio metálico traz riscos potenciais

(2) Deve ser equipado com válvulas de segurança e outros dispositivos de proteção

(3) Carregamento, curto-circuito ou aquecimento são estritamente proibidos

(4) São necessárias condições especiais de transporte e armazenamento

Dinâmica das baterias de íons de lítio

Compreender a diferença entre baterias de lítio e íons de lítio é fundamental para aplicações de energia modernas. O design inovador das baterias de íons de lítio revolucionou a forma como os dispositivos eletrônicos portáteis são usados.

As principais inovações das baterias de íons de lítio são:

Material do ânodo:

Grafite (mais comumente usado)

Carbono duro

Carbono macio

Materiais à base de silício desenvolvidos nos últimos anos

Material do cátodo:

Óxido de lítio-cobalto (LiCoO2)

Óxido de lítio-níquel-cobalto-manganês (NCM)

Fosfato de ferro e lítio (LiFePO4)

Óxido de Lítio Manganês (LiMn2O4)

Sistema eletrolítico

Solventes mistos de carbonato orgânico

sais de lítio, como hexafluorofosfato de lítio (LiPF6).

Todos os tipos de aditivos

Como funcionam as baterias de íons de lítio

O mecanismo de trabalho das baterias de íons de lítio é figurativamente chamado de "mecanismo da cadeira de balanço":

Processo de carregamento:

O cátodo libera íons de lítio

Os íons de lítio migram para o ânodo através do eletrólito

Os íons de lítio são recebidos e armazenados entre as camadas de ânodo de grafite

Processo de alta

O ânodo libera íons de lítio

Os íons de lítio retornam ao cátodo

Os elétrons produzem uma corrente elétrica através de um circuito externo

Este processo reversível de incorporação é fundamental para a natureza recarregável das baterias de íons de lítio.

Recarga e durabilidade

Os indicadores de desempenho das baterias modernas de íons de lítio são impressionantes:

Ciclo de vida:

Os produtos de alta qualidade podem chegar a 3000-5000 vezes

500-1500 vezes para produtos comuns

Eficiência de carga e descarga

Eficiência inicial 85-90%

Eficiência de ciclo estável>99%

Retenção de capacidade

Após 1 ano≥80%

80% ≥ após 500 ciclos

Decodificar as diferenças

Uma compreensão profunda da diferença entre baterias de lítio e baterias de íons de lítio requer uma análise sistemática de várias dimensões:

Composição química e capacidade de recarga

As diferenças fundamentais entre os dois tipos de baterias são refletidas em:

Material do eletrodo:

Bateria de lítio: ânodo de lítio metálico

Baterias de íons de lítio: compostos de lítio e materiais de carbono

Mecanismo de reação:

Bateria de lítio: reação química irreversível

Baterias de íons de lítio: um processo reversível de incorporação e desintercalação

Densidade de energia e desempenho

Comparação dos parâmetros de desempenho:

Densidade de energia:

Bateria de lítio: maior valor teórico

Baterias de íons de lítio: mais otimizadas para aplicações práticas

Características de saída:

Bateria de lítio: tensão de descarga constante

Baterias de íons de lítio: tensão descendente gradiente

Vida útil:

Bateria de lítio: uso único

Baterias de íons de lítio: recicladas

Características de segurança e impacto ambiental

Diferenças no projeto de segurança:

Mecanismo de proteção:

Proteção contra sobrecarga

Proteção contra descarga excessiva

Proteção contra sobrecorrente

Monitoramento de temperatura

Adaptabilidade ambiental

Faixa de temperatura

Requisitos de umidade

Resistência à vibração

Impacto ambiental

Reciclabilidade do material

Avaliação do Ciclo de Vida

Análise da pegada de carbono

Aplicações práticas e considerações

Análise do cenário de aplicação

Campo de aplicação da bateria de lítio

Equipamento militar

Equipamento aeroespacial

Implantes médicos

Equipamento de monitoramento marítimo

Campo de aplicação da bateria de íons de lítio:

Eletrônicos de consumo

Veículos elétricos

Sistemas de armazenamento de energia

Ferramentas portáteis

Diretrizes de armazenamento e manutenção

Condições de armazenamento

A temperatura é controlada em 15-25°C

Umidade relativa 45-75%

Mantenha longe da luz solar direta

Mantenha-se afastado de interferências do campo magnético

Pontos de manutenção

Check-ups regulares

Monitoramento de desempenho

Medidas de proteção

Padrão de substituição

Após uma compreensão profunda da diferença entre baterias de lítio e baterias de íons de lítio, podemos fazer uma escolha mais informada com base em cenários de aplicação específicos:

Para dispositivos de baixo consumo de energia que requerem fonte de alimentação estável a longo prazo, as baterias de lítio são ideais

Para dispositivos recarregáveis para uso diário, as baterias de íons de lítio têm uma vantagem

Cenários de aplicação especiais requerem uma consideração abrangente de vários indicadores de desempenho