Bateria de íons de lítio

Bateria de íon de lítio ou bateria de ácido chumbo?

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Vantagens da química da bateria de ácido chumbo

Baterias são dispositivos estranhos. Ninguém os quer, mas todos precisam deles. Eles só são comprados quando necessário. Quantas pessoas planejam uma viagem ao shopping local para comprar baterias? Eles são uma compra de rancor e só comprados quando absolutamente necessário. Um bom vendedor pode vender dois sapatos, dois carros e talvez duas casas se você tiver o dinheiro, mas ele não pode vender duas baterias de automóveis SLI. Quando você compra uma bateria, seja uma bateria solar para um painel solar, uma bicicleta elétrica ou um sistema de backup de bateria UPS e inversor ou uma bateria de tração para empilhadeiras, você não gostaria de saber mais sobre isso?

Como funcionam as baterias de ácido de chumbo, quais são as diferenças entre tipos e modelos, e quais são as diferentes químicas? Eles podem ser caros. Em uma aplicação comercial ou doméstica qual é o retorno, qual é a vida útil e o custo da substituição de uma bateria de ácido de chumbo? O tamanho que você precisa, o espaço disponível, a eficiência energética da bateria de chumbo ácido e o tempo de recarga? E depois, há os custos ocultos de segurança, descarte e pegada de carbono. Este artigo compara as baterias de ácido chumbo com a bateria de íons de lítio e aborda muitos dos equívocos associados a ambas as químicas.

sobre a bateria de íons de lítio

A percepção no domínio público é que as baterias de chumbo ácido são tecnologia antiga. A bateria de íons de lítio tem uma percepção diferente, é moderna, mais limpa, tem 3 ou 4 vezes a densidade energética e uma vida útil mais longa. Com tudo isso, que possíveis vantagens a tecnologia de ácido de chumbo de 150 anos poderia trazer à mesa? Bem, na verdade, nem tudo é o que parece, olhar por trás das manchetes dos dados usados nas alegações de marketing, então aplicar um pouco de bom senso, pesquisa básica e alguma ciência rudimentar. Você vai descobrir que a história real é bastante diferente.

O primeiro equívoco diz respeito às densidades energéticas volumoscas e específicas. Os valores das manchetes de 4 a 5 vezes referem-se apenas à densidade energética específica e a um número limitado de químicas de baterias de íons de lítio, algumas das quais ainda não estão em uso comercial. Fig. 2 compara vários cátodos para células de bateria de íons de lítio estes variam de cerca de 100Wh/kg para a química Li-FePO4 mais segura a mais de 200Wh/kg para a variante de óxido de níquel-cobalto-alumínio. O diagrama da bateria de ácido de chumbo é dado abaixo:

Densidade energética da bateria de íons de lítio
Figura 2 Densidades de energia de várias químicas de bateria a nível celular
Comparação da bateria de íons de lítio ao nível celular
Figura 3 Comparação da bateria de íon de lítio e bateria de ácido chumbo no nível celular e sistema

Esses valores só se aplicam ao nível de célula única, não ao pacote ou à condição de serviço. Fig. 3 mostra as densidades de energia de diferentes químicas de bateria no nível celular e do sistema. As densidades de energia das células da bateria de íons de lítio são praticamente reduzidas pela metade quando totalmente instaladas com todas as conexões, resfriamento, segurança e equipamentos de gerenciamento de baterias.

A vantagem do nível celular de 3 a 5 vezes a densidade de energia específica é reduzida para 2 a 3 vezes. Dependentes da química do cátodo de lítio, poderíamos estar quase olhando para a paridade entre as baterias de íons de lítio e a densidade de energia das baterias de ácido de chumbo para um sistema de baterias totalmente instalado em algumas aplicações.
O outro fator, o da vida ciclístico, também é fonte de confusão. Quantos ciclos uma bateria de íons de lítio pode funcionar antes que a capacidade caia abaixo de 80% de sua classificação de placa de identificação? Dois, três mil? A Tabela 1 dá um resumo dos diferentes materiais de cátodo li-íon para desempenho e vida útil do ciclo.

Cathode material Short name Nominal voltage Specific energy Wh/kg (cell) Cycle life Comments
Lithium Cobalt Oxide
(LiCoO2)
LCO 3.6 150-200 500-1000 Portable devices - thermal runaway on overcharge
Lithium Manganese Oxide (LiMn2O4) LMO 3.7 100-150 300-700 Power tools, medical devices - safer than LCO
Lithium Nickel Manganese Cobalt Oxide (LiNiMnCO2) NMC 3.6/3.7 150-220 1000-2000 E-bikes, EV, industrial - high cycle life
Lithium Iron Phosphate (LiFePO4) LFP 3.2 90-120 1000-2000 EV, SLI, Leisure - safest of all lithium ion battery chemistries
Lithium Nickel Cobalt Aluminum Oxide (LiNiCoAlO2) NCA 3.6 200-260 500 Industrial, EV powertrain (Tesla) TR at 150C, CL 500
Lithium Titanate (Li4Ti5O12) LTO 2.4 50-80 UPS, Solar, EV powertrain (Honda, Mitsubishi). CL 3000-7000 - very safe

Como se pode ver, todos se enquadram na faixa de ciclo de 800 a 2000. Em comparação, uma bateria de ácido chumbo bem projetada pode facilmente alcançar mais de 1600 ciclos a 80% de DOD. Então, como tudo isso se soma ao considerar o custo de propriedade? Isso nos leva ao próximo ponto que é o preço da bateria de ácido de chumbo. Quanto custa uma bateria de íons de lítio em comparação com uma bateria de ácido de chumbo? Custo da fábrica de baterias de íons de lítio? Naturalmente, a bateria de íons de lítio é mais cara, mas quanto mais. Mais uma vez, isso depende do nível que está sendo considerado. Os comunicados de imprensa nos dirão que os preços de Li-ion estão caindo e agora estão na faixa de 2-3 vezes o ácido chumbo.

Realmente? Os preços médios em uma recente pesquisa na internet no Reino Unido para obter preços em baterias de lazer disponíveis comercialmente de 12V e 100 Ah tanto para baterias de íons de lítio quanto baterias de ácido de chumbo:
bateria de íon de lítio $960 ou $800/kwh
Bateria de ácido de chumbo $215 ou $180/kwh
Obviamente, a vida útil da bateria de íons de lítio tem que ser 4 vezes maior que a da bateria de ácido de chumbo equivalente a obter o mesmo valor. Como vimos, este não é o caso.

Bateria de íons de lítio berço para portão
Figura 6 Berço para Portão emissões de CO2 para diferentes químicas de bateria
Esquema de berço para gra
Figura 5 Esquema de berço para princípio do portão para fabricação de baterias

Em todos os casos, a construção da bateria de ácido de chumbo foi a mais econômica mesmo quando uma bateria maior de ácido de chumbo foi instalada para dar melhor aceitação de carga e maior vida útil do ciclo. Neste exemplo, o aplicativo era uma torre de telecomunicações na Índia. O mesmo princípio vale na maioria das aplicações e geografias, ainda mais em climas mais frios. O outro equívoco é que Li-ion é uma tecnologia mais limpa e menos poluente que o ácido chumbo. O berço para as emissões de portão para diferentes químicas de bateria é dado em Figs. 5 e 6.

Este número mostra o limite de operações para fabricação de baterias. Desde a extração e o transporte de matérias-primas até todas as etapas de processamento até o ponto em que as baterias estão prontas para serem enviadas.

A Tabela 2 é uma situação real que compara a economia do uso da bateria de íons de lítio e da bateria de ácido chumbo trabalhando em diferentes períodos de vida útil.

Cost item Daily running costs USD Daily running costs USD
3 Years Lead Acid Battery Lithium ion battery
Amortisation 8.30 16.90
Diesel (delivered) 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.65 0.50
Total day/month 28.38/851 36.83/1105
6 Year
Amortisation 5.86 8.46
Diesel 15.50 15.50
Maintenance 2.46 2.46
Electricity 1.47 1.47
Battery Charging 0.54 0.50
Total day/month 25.83/775 28.39/852

Esses dados dos Laboratórios Nacionais de Argonne mostram que o processo total de fabricação, incluindo a extração e o transporte de matérias-primas para baterias de íons de lítio, é mais de 4 vezes o valor do ácido chumbo. Em relação à extração de materiais, o fornecimento de materiais básicos de cátodo, como cobalto e manganês e lítio, não é completamente certo. Os processos de extração e recuperação existem, mas o número de minas e locais de fabricação pode limitar a oferta se as demandas aumentarem significativamente. O mapa geopolítico também prevê incerteza para algumas fontes desses materiais.

A reciclagem e a segurança dessas químicas são fatores importantes. Sabe-se que quase todos os componentes das baterias de ácido de chumbo são 100% reciclados, enquanto não há processos comerciais para reciclagem de baterias de íons de lítio. Esta situação é compreensível quando você considera que os componentes mais caros de Li, Co, Mn etc. são apenas uma pequena fração da bateria total de íons de lítio. Por exemplo, o lítio é cerca de 4% do peso celular total. Some-se a isso o fato óbvio de que o lítio é altamente reativo (a base de sua alta densidade energética), o que, compreensivelmente, torna caro extrair do lixo.

O fator adicional de complexidade com muitos materiais diferentes em sua construção dificulta a reciclagem, tanto técnica quanto economicamente. O resultado? Simplesmente não há incentivo comercial para reciclar essas baterias. Por essa razão, as instalações de reciclagem ainda estão na fase piloto e, em sua maioria, financiadas pelo governo.
Atualmente, a grande maioria da bateria de íons de lítio sucateada está armazenada à espera de um avanço tecnológico ou legislação para forçar sua reciclagem. Se este último fosse implementado, então haveria um custo, em última análise, para o consumo. Isso aumentaria ainda mais o preço da célula Li-ion em comparação com os tipos de bateria de ácido chumbo.

Finalmente, temos segurança. Nenhuma aplicação de bateria de chumbo ácido em nosso conhecimento já teve um recall de segurança como sabemos é o caso com bateria Li-ion em dispositivos eletrônicos portáteis e até veículos elétricos. Fig. 7 mostra o que aconteceu com um novo Volvo híbrido no Reino Unido apenas algumas semanas atrás, no momento de escrever este artigo. Neste caso, suas baterias de íons de lítio pegaram fogo quando estavam carregadas.

Figura 7 Incêndio causado por uma bateria li-íon em um veículo elétrico híbrido Volvo: abril 2018-Uk residência

causa da bateria de íon de lítio de um incêndio em um novo carro Volvo EV
Incêndio em carro da Volvo queimado causado por bateria de lítio
Incêndio causado por bateria de íons de lítio
Bombeiros desarmam o fogo causado por uma bateria de lítio

Mesmo quando as baterias de íons de lítio armazenadas ou transportadas têm sido a causa de incêndios seriamente perigosos. Embora essas ocasiões sejam raras, elas devem ser reconhecidas, e equipamentos de segurança adequados e software de gerenciamento de baterias devem ser instalados. Os bombeiros de Nova York, por exemplo, ainda estão no processo de decidir como combater os incêndios das baterias de íons de lítio. Isso sugere fortemente que as medidas de segurança existentes para as baterias de íons de lítio em todo o mundo precisam ser revistas.

Segue a vista do Corpo de Bombeiros de Nova York:

Citação de artigo de notícias: AWS utilitário unidade 15 de novembro de 2016 “O fogo não é o maior problema”, disse Rogers. Os bombeiros são treinados para lidar com incêndios, mas precisam saber com o que estão lidando. As baterias de íons de lihão podem liberar ácidos tóxicos e vapores inflamáveis. Alguns desses vapores são consumidos pelo fogo, mas se não forem, podem incendiar ou ser um problema para os bombeiros. O maior problema é o que acontece “pós-operatório”, ou seja, depois que o fogo é extinto. Mesmo que uma bateria seja desligada, ela pode reacender por até 72 horas, disse Rogers. Tenente, o que está aqui. Paul Rogers Corpo de Bombeiros da divisão de operações de materiais perigosos de Nova York”

Resumo da bateria de íons de lítio

Bateria de íons de lítio certamente tem características de desempenho melhores do que o ácido chumbo. No entanto, essas vantagens são severamente reduzidas pelo hardware adicional associado aos requisitos de segurança e gerenciamento. O resultado líquido é que as baterias de ácido chumbo têm vantagens distintas especialmente quando se considera aplicações que não são restritas por peso ou aceitação de carga. O menor custo inicial do custo da fábrica de baterias de ácido de chumbo; o baixo preço de compra e o baixo custo de amortização do ácido chumbo combinado com seu baixo impacto ambiental e segurança inerente, fornecem as seguintes vantagens:

  • Menor preço de compra. O preço é de cerca de um quarto de um equivalente li-ion. Os custos operacionais mais baixos para dar um menor custo total de propriedade na maioria das aplicações.
  • Reciclagem. Quase 100% de todos os materiais de bateria de chumbo ácido são reciclados. O valor da sucata pode fornecer uma receita adicional de até 20% do custo do material da bateria. Baterias de lítio não têm infraestrutura ou processo comercial para reciclagem
  • Segurança. A química do ácido de chumbo é inerentemente mais segura do que a da bateria de íons de lítio
  • Sustentabilidade. Existem muitas fontes bem estabelecidas de fornecimento de ácido de chumbo, particularmente de instalações de reciclagem. O lítio e outros materiais de cátodo podem ser fornecidos de áreas politicamente sensíveis. Tanto a capacidade global de extração quanto de fabricação de materiais não suportaria um rápido aumento na produção de baterias de íons de lítio.
  • Pegada de carbono. A fabricação de baterias de ácido de chumbo tem um berço para portar a pegada de carbono um terço da das baterias de íons de lítio.

Lá temos tudo. Um quadro diferente do pintado pelas empresas de baterias de íons de lítio. Embora não se possa argumentar que o ácido chumbo tem uma desvantagem na densidade energética, o ponto pode ser feito que ele ainda é uma tecnologia altamente competitiva e continua sendo a melhor escolha em muitas aplicações.

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