Como as baterias são feitas?

A estrutura e o princípio de funcionamento das baterias

As baterias produzem energia elétrica através da reação química que ocorre dentro da célula. A chave para realizar essa reação é o movimento dos elétrons. Os elétrons são partículas carregadas negativamente que geram eletricidade enquanto se movem. Esse fluxo é possível com o uso de dois metais diferentes atuando como condutores. Ligar os metais juntos inicia o movimento dos elétrons entre eles, que é causado pelos elétrons sendo puxados pelos metais que são referidos como cátodo e ânodo. Os elétrons sempre serão puxados com mais força pelo cátodo. Os metais dentro de uma bateria são interligados por uma substância capaz de conduzir elétrons, chamada de eletrólito. Os veículos elétricos usam baterias construídas de células interconectadas. Os sistemas de energia utilizados diferem entre si principalmente por sua vida útil, composição química e peso. O mercado de baterias para veículos elétricos está mudando dinamicamente. Atualmente, as baterias de íons de lítio estão entre os tipos mais populares. Sua produção é complexa e exige qualidade máxima em cada etapa. As baterias de íons de lítio mais populares são aquelas cujas células são baseadas em metais como níquel, cobalto ou manganês. Os tipos de baterias de íons de lítio mais comumente escolhidos para veículos elétricos incluem baterias de lítio-níquel-cobalto-manganês (NMC). As baterias de lítio-manganês (LMO), lítio-ferro-fosfato (LFP) e lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA) são de interesse muito menor.

Como é feita uma bateria?

A fabricação de íons de lítio e outras células é caracterizada por sua complexidade e alto grau de automação. A produção de baterias depende do seu tipo, mas as principais etapas e processos são semelhantes. Para simplificar, todo o processo de fabricação pode ser dividido em três “blocos” principais:

1. Produção de eletrodos

Independente do formato e forma da bateria que está sendo produzida, o primeiro passo é fazer os eletrodos. Nesta fase, é importante evitar a contaminação cruzada entre diferentes materiais, por isso, na prática, existe uma linha separada para a produção do cátodo e uma linha separada para o ânodo. O ânodo é produzido a partir de folha de cobre coberta com grafite, enquanto o cátodo é feito de folha de alumínio revestida com um metal selecionado. As fases de produção mais importantes incluem:

• A mistura, que consiste em produzir a chamada suspensão que é uma mistura de pós (substâncias ativas) com um solvente e outras substâncias químicas que atuam como aglutinantes.
• Revestimento e secagem: uma suspensão pronta é bombeada para a área de revestimento, onde é aplicada sobre uma folha de metal. A folha é então enviada para uma estufa de secagem, onde o solvente evapora e a substância ativa é aderida à folha.
• Calandragem – o processo de acabamento dos rolos revestidos. Eles estão se movendo entre dois elementos aquecidos que fornecem compressão adequada do material pressionando os rolos contra a folha e, assim, mantendo uma espessura e densidade estáveis ​​e uma melhor adesão.
• Corte – a folha metálica passa por um sistema de facas que a cortam em vários pedaços menores e de tamanhos adequados aos eletrodos a serem produzidos.

2. Montagem da célula

A montagem das células requer um ambiente seco para evitar a formação de umidade que pode causar degradação e queda significativa na eficiência do eletrodo. Nesta etapa, os eletrodos são cortados e colocados em invólucros. A montagem da célula abrange as seguintes etapas:

• Corte – eletrodos retangulares são produzidos durante o processo de corte. O corte é realizado mecanicamente ou com laser.
• Disposição – em uma caixa de bateria, os eletrodos são dispostos alternadamente: ânodo, separador, cátodo. A maneira mais popular é estocar.
• Montagem – eletrodos adequadamente dispostos são conectados e fixados às braçadeiras principais por soldagem. A célula com eletrodos assim produzida é colocada em material de embalagem e selada, deixando uma borda aberta para preenchimento com eletrólito.

3. Conformação e controle de qualidade

Em seguida, uma bateria montada passa pela fase de condicionamento. Muitas vezes, esse é um momento crítico da produção, pois a célula é carregada pela primeira vez e passa por uma série de testes que comprovam sua qualidade e eficiência. Os estágios finais da formação de uma bateria incluem pré-carga, desgaseificação e envelhecimento em alta temperatura. Terminada essa última fase, o aparelho está pronto para ser utilizado em diferentes aplicações. Os veículos elétricos são alimentados por baterias de íons de lítio. Estão entre os tipos de bateria mais populares, principalmente pelo fato de permitirem percorrer mais quilômetros com uma única carga em comparação com outros tipos de bateria. Seu processo de fabricação é muito semelhante ao das baterias de lítio mais comuns. Uma característica das baterias de carros elétricos é que elas constituem uma conexão em série de várias células de íons de lítio que compõem os chamados módulos. Cada módulo de uma bateria contém de algumas a mais de dez células conectadas em série. Em seguida, os módulos são soldados entre si para formar baterias que passam por controle de qualidade.

Matérias-primas para a produção de baterias

Os sistemas de armazenamento de energia mais populares incluem baterias de íons de lítio. A produção dessas células é complexa e requer alta qualidade em cada etapa. Uma questão importante é escolher tais matérias-primas para produção de forma que a bateria finalizada possa atender totalmente à demanda do mercado e aos requisitos do consumidor.

Metais

As matérias-primas mais importantes para a produção de baterias incluem metais, principalmente lítio, cádmio, níquel, ferro, zinco e manganês. Este último é o material mais popular usado para produzir baterias de íon-lítio. Outros elementos utilizados para a produção de baterias são o magnésio e o alumínio (como eletrodos), devido ao seu alto potencial padrão e equivalente eletroquímico. Um benefício adicional é seu preço relativamente baixo e alta disponibilidade. Isso os torna um substituto ideal para eletrodos populares feitos de zinco. Outro metal aplicado em baterias é a prata, que permite produzir células seguras e com alta densidade de energia. Além disso, o uso da prata permite atingir uma tensão de bateria mais alta em comparação com o cádmio, por exemplo.

Óxidos metálicos

Eletrodos em baterias (cátodos e ânodos) não são feitos apenas de metais. Óxidos metálicos, como óxido de manganês (IV) ou óxido de zinco, também são usados. O material ativo nas baterias de íon-lítio é geralmente o lítio, que ocorre mais comumente na forma de óxidos combinados com metais como cobalto, manganês, níquel, vanádio ou ferro.

Eletrólitos

O eletrólito é o principal componente das baterias de íon-lítio que permite um fluxo livre de elétrons entre os eletrodos. Os eletrólitos são principalmente soluções aquosas ou soluções em substâncias orgânicas, que são produzidas pela dissolução de um ou mais tipos de sal, por exemplo, cloreto de amônio, cloreto de zinco ou perclorato de magnésio. Em baterias alcalinas, o hidróxido de potássio é usado como eletrólito. O carbonato de vinileno também é comumente selecionado para a produção de eletrólitos para baterias de íons de lítio. É particularmente importante para o setor de baterias e acumuladores em crescimento dinâmico. O carbonato de vinileno de alta pureza (mínimo 99,99%) está disponível na ampla linha de produtos do Grupo PCC , que é um dos principais fabricantes e fornecedores de produtos químicos e matérias-primas para qualquer setor.

Grafite

Grafite ou carbono em pó é uma matéria-prima fundamental para a produção de eletrodos. A estrutura de algumas baterias inclui barras de grafite que “coletam” os elétrons que chegam do circuito e os distribuem pelo cátodo. Além disso, a estrutura do grafite facilita a extração dos gases produzidos durante uma reação eletroquímica.

Plásticos

Plásticos , como polietileno ou polipropileno , são excelentes materiais aplicados na produção de separadores de baterias. Eles separam o cátodo do ânodo. Os plásticos também são usados ​​para fazer revestimentos e invólucros para baterias.