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Substituir os veículos tradicionais movidos a combustível por opções movidas a bateria é essencial para reduzir o dióxido de carbono (CO2) emissões. Este gás com efeito de estufa resulta da combustão de combustíveis fósseis, pelo que a limitação da sua entrada na atmosfera também influenciará o aquecimento global. A produção de baterias para veículos elétricos e outros dispositivos recarregáveis (por exemplo, telefones celulares ou laptops) exige rigorosos controles de qualidade e testes para garantir o melhor desempenho. Enquanto isso, a pesquisa de baterias se concentra na descoberta de novos materiais de bateria com maior energia e densidade de potência, bem como um armazenamento de energia mais eficiente.
Nesta postagem do blog, quero destacar alguns dos parâmetros analíticos que podem ser determinados usando instrumentos analíticos de alta precisão da Metrohm e fornecer alguns downloads gratuitos nesta área de pesquisa.
Aprenda sobre os seguintes pontos neste artigo (clique para ir diretamente para cada tópico):
O que há em uma bateria de íon de lítio?
Hoje, as baterias de íons de lítio são as baterias recarregáveis mais comuns disponíveis no mercado. Uma bateria consiste em um ânodo (eletrodo negativo) e um cátodo (eletrodo positivo). Um eletrólito facilita a transferência de carga na forma de íons de lítio entre esses dois eletrodos. Entretanto, um separador colocado entre o ânodo e o cátodo evita curtos-circuitos. Um exemplo de seção transversal pode ser visto em figura 1.
O ânodo é feito de grafite contendo lítio intercalado aplicado a uma folha de cobre, enquanto o cátodo consiste em óxidos metálicos de lítio aplicados a uma folha de alumínio. Cobalto, níquel, manganês ou ferro são os metais de transição mais comumente usados em materiais catódicos. O eletrólito é um solvente aprótico anidro contendo um sal de lítio (por exemplo, hexafluorofosfato de lítio) para facilitar a transferência de carga. O separador é um isolador feito de material poroso, permitindo a migração de íons de lítio para transferência de carga. A composição de todos estes componentes tem uma influência significativa nas características da bateria.
Após esta breve visão geral sobre a composição de uma bateria de íons de lítio, vamos dar uma olhada nos principais parâmetros selecionados e como eles podem ser analisados.
Conteúdo de água nas matérias-primas da bateria
As baterias de íon de lítio não devem conter água (concentração de H2O menos de 20 mg/kg), porque a água reage com o sal condutor (por exemplo, LiPF6) para formar ácido fluorídrico tóxico. A titulação coulométrica sensível de Karl Fischer é o método ideal para determinar o teor de água em níveis vestigiais. A determinação de água para sólidos é realizada usando o Método do forno Karl Fischer – a umidade residual na amostra é evaporada e transferida para a célula de titulação onde é posteriormente titulada.
Preparação automatizada de amostras para Karl Fischer Titrandos
O princípio de funcionamento e as vantagens do método do forno KF são descritos com mais detalhes na postagem do nosso blog abaixo.
Método de forno para preparação de amostras na titulação Karl Fischer
Para obter mais detalhes sobre como realizar a determinação de água em um dos seguintes componentes da bateria, baixe nosso Boletim de Aplicação gratuito abaixo:
- matérias-primas para a fabricação de baterias de íon-lítio
- preparações de revestimento de eletrodos (pasta) para revestimento de ânodo e cátodo
- as folhas revestidas de ânodo e cátodo, bem como em folhas separadoras e em camadas de folhas embaladas
- eletrólitos para baterias de íon de lítio
Composição de metal de transição de materiais catódicos
O cátodo de uma bateria de íons de lítio é geralmente feito de óxidos metálicos derivados de cobalto, níquel, manganês, ferro, ou alumínio. Para produzir o cátodo, são utilizadas soluções contendo os sais metálicos desejados. Para um processo de produção otimizado, o conteúdo exato dos metais presentes na solução deve ser conhecido. Além disso, a composição metálica dentro do material catódico obtido deve ser determinada. Titulação potenciométrica é uma técnica adequada para determinar o teor de metal em soluções iniciais e nos materiais catódicos acabados.
Ao contrário dos métodos concorrentes, como ICP-MS ou AAS, a titulação não requer diluição de tais amostras. Portanto, os resultados obtidos por titulação são mais confiável e preciso. Além disso, os custos de funcionamento e manutenção são consideravelmente mais baixos em comparação com ICP-MS ou AAS.
As seguintes misturas de metais ou óxidos metálicos podem ser analisadas potenciometricamente:
- níquel, cobalto e manganês em soluções
- níquel, cobalto e manganês em materiais catódicos, como óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NCM), óxido de lítio-cobalto (LCO) ou óxido de lítio-manganês (LMO)
Para mais detalhes sobre a análise potenciométrica de uma mistura de níquel, cobalto e manganês, baixe nossa Nota de Aplicação gratuita abaixo.
Análise de materiais catódicos de baterias de íon-lítio feitos de Co, Ni e Mn
Análise de sais de lítio
A titulação potenciométrica também é ideal para determinar a pureza de sais de lítio. Para hidróxido de lítio (LiOH) e carbonato de lítio (Li2CO3), a pureza é determinada usando uma titulação aquosa ácido-base. Também é possível determinar a impureza de carbonato no LiOH usando este método.
Para mais detalhes sobre como realizar o ensaio de LiOH e Li2CO3, baixe nossa nota de aplicação gratuita aqui.
Para o ensaio de cloreto de lítio (LiCl) e nitrato de lítio (LiNO3), o lítio é titulado diretamente usando a reação de precipitação entre lítio e fluoreto em soluções etanólicas. Para mais detalhes sobre como realizar os ensaios de LiCl e LiNO3, baixe as seguintes notas de aplicação gratuitas.
Lítio em salmoura – Determinação confiável e barata por titulação potenciométrica
O conhecimento de outros cátions que possam estar presentes nos sais de lítio (e sua concentração) também é de interesse. Vários cátions (por exemplo, sódio, amônio ou cálcio) podem ser determinados usando cromatografia iônica (CI). IC é um método multiparâmetro eficiente e preciso para quantificar ânions e cátions em uma ampla faixa de concentração.
O cromatograma em Figura 2 mostra a separação de lítio, sódio e cálcio em uma corrente de processamento de minério de lítio.
Para obter mais informações sobre como essa análise foi realizada, baixe nossa Nota de Aplicação gratuita aqui.
Composição eletrolítica
O íon de lítio é responsável pela transferência de carga nas baterias de íon de lítio. Hexafluorofosfato de lítio (LiPF6) é o principal sal condutor. No entanto, o LiPF6 tende a se decompor em temperaturas elevadas ou pode reagir com vestígios de água para formar ácido fluorídrico tóxico. Portanto, sais de borato de lítio ou sais de lítio à base de imida são usados como aditivos para melhorar seu desempenho. A cromatografia de íons (IC) permite a determinação da decomposição dos diferentes sais de lítio dentro do eletrólito. Além disso, o IC pode ser usado para analisar impurezas iônicas em níveis vestigiais. Além disso, quaisquer etapas de preparação de amostras que possam ser necessárias (por exemplo, pré-concentração, diluição, filtração) podem ser automatizadas com o Técnicas de preparação de amostras em linha da Metrohm («MISP»).
Para informações mais detalhadas sobre aplicações IC selecionadas para pesquisa de baterias, confira nossas Notas de Aplicação:
Resumo
Esta postagem do blog contém apenas parte das análises para pesquisa de baterias que são possíveis usando os instrumentos analíticos da Metrohm. A Parte 2 discute o caracterização eletroquímica de baterias e suas matérias-primas.
Suas conclusões de conhecimento
Pesquisa e produção de baterias: Experiências positivas com equipamentos Metrohm de alta qualidade!
