Ciencia

Na área de cerâmicas eletro-eletrônicas é bastante comum a descrição das propriedades e desenvolvimento de materiais cerâmicos, especialmente óxidos para aplicações em diferentes dispositivos, tais como sensores, varistores, termistores, eletrólitos para células combustíveis, etc. No entanto, não é comum a descrição das propriedades de materiais para aplicações em baterias de íons lítio. Sendo assim, neste texto fazemos isso com o intuito de apresentar ao público que trabalha com materiais cerâmicos a possibilidade de desenvolvimento destes materiais para esta aplicação específica.

Sendo assim, pode dizer que baterias são dispositivos compostos por um conjunto de pilhas agrupadas em série ou em paralelo, sendo que o último tipo de agrupamento é uma célula do tipo galvânica constituída por dois eletrodos e um eletrólito, arranjados de maneira a produzir energia elétrica a partir de uma energia química armazenada [1]. As baterias podem ser diferenciadas considerando-se a maneira como funcionam, sendo, portanto classificadas em: (a) baterias primárias, as quais constituem sistemas não recarregáveis, devido à ocorrência de reações paralelas, que comprometem a estabilidade da célula. Ex.: zinco/dióxido de manganês (Leclanché), zinco/óxido de prata, lítio/dióxido de enxofre, (b) baterias secundárias, as quais constituem sistemas cujas reações eletroquímicas podem ser revertidas por meio da aplicação de uma corrente externa, sendo, portanto recarregáveis. Um sistema eletroquímico é considerado secundário quando é capaz de suportar 300 ciclos completos de carga e descarga com retenção de 80% da sua capacidade.

A idéia de empregar materiais que apresentam reações de inserção, como parte de um componente eletroquímico ativo para baterias, começou a ser explorada por volta de 1970 [2], impulsionando a busca por compostos de inserção de lítio. A razão para sua aplicação tão difundida é o fato de que as reações de inserção eletroquímicas são intrinsecamente simples e reversíveis [3].

Os compostos de inserção de íons lítio têm ganhado atenção considerável, pois podem ser usados como um eletrodo ativo em baterias recarregáveis de íons lítio, as quais possuem aplicações em potencial, desde dispositivos eletrônicos portáteis até veículos elétricos [4].

Tipos de baterias

As principais baterias primárias que se destacam no mercado são:

- Leclanché (Zn/MnO2): composta por um anodo de zinco metálico, um bastão de grafite cilíndrico rodeado por uma mistura em pó de dióxido de manganês e grafite como catodo e uma mistura de cloreto de amônio e cloreto de zinco como eletrólito. Esta pilha fornece um potencial de circuito aberto no intervalo de 1,55 a 1,74 V. Para aplicações que requerem valores baixos e médios de corrente elétrica este tipo de pilha apresenta uma relação custo-benefício interessante. Os principais inconvenientes encontrados são as chamadas reações de prateleira, as quais ocorrem durante o armazenamento e durante o período que permanecem em repouso, podendo provocar vazamentos. Este problema é minimizado, pelos fabricantes, com a adição de sais de mercúrio solúveis no eletrólito, fazendo com que esse tipo de pilha represente sérios riscos ao meio ambiente.

- Lítio/dióxido de manganês: pilhas primárias que empregam lítio como anodo, representam sistemas eletroquímicos de pequenas dimensões, duráveis, confiáveis e capazes de armazenar grande quantidade de energia. Estas células utilizam o MnO2 como catodo (sólido com baixa solubilidade no eletrólito) e como eletrólito um sal de lítio dissolvido em um solvente não-aquoso, pois o lítio metálico reage com água. Este tipo de pilha fornece um potencial de circuito aberto no intervalo de 3,0 a 3,5 V, não apresenta reações de prateleira e mostra um excelente desempenho. Um inconveniente encontrado é que pilhas vedadas de maneira imprópria podem expor o lítio à umidade do ar e provocar chamas no metal e no solvente não-aquoso.

As baterias secundárias diferentemente das primárias são usadas principalmente em aplicações que requerem alta potência, sendo as mais comumente encontradas:

- Baterias chumbo/ácido: estas apresentam a característica pouco usual de envolver em ambos os eletrodos o mesmo elemento químico, o chumbo. Quando no estado carregado um único par de eletrodos apresenta um potencial de 2,15 V. O tipo de bateria chumbo/ácido predominantemente marcante é a automotiva, a qual é usada em veículos e consiste de seis conjuntos de eletrodos na forma de placas, contidos em vasos independentes.