Visão geral
O mercado das baterias de iões de lítio (LIB) está a registar um crescimento sem precedentes, impulsionado pela adoção de veículos elétricos (VE) e pelo armazenamento de energia renovável. A capacidade global de produção de LIB ultrapassou os 1 200 GWh em 2024 e prevê-se que atinja mais de 4 000 GWh até 2030. Os produtos químicos especializados desempenham papéis fundamentais ao longo de toda a cadeia de valor das baterias — desde a polimerização do aglutinante dos elétrodos até à síntese do eletrólito e à funcionalização do separador.
Os principais desafios químicos no fabrico de baterias incluem: alcançar uma pureza ultra-elevada (grau de bateria, <10 ppm de impurezas metálicas individuais), controlar o peso molecular do ligante polimérico para uma adesão ideal dos elétrodos, desenvolver aditivos para eletrólitos termicamente estáveis e produzir revestimentos avançados para separadores, com vista a uma maior segurança.
Aplicações Químicas na Fabricação de Baterias
Os produtos químicos especializados são utilizados em várias fases da produção de baterias:
- Polimerização do aglutinante dos elétrodos: os aglutinantes PVDF (fluoreto de polivinilideno) e SBR/CMC requerem iniciadores de polimerização controlados. Os iniciadores AZO são utilizados na produção do aglutinante de látex SBR.
- Intermediários do eletrólito: A síntese do hexafluorofosfato de lítio (LiPF₆) requer produtos químicos de fluoreto de alta pureza. Os solventes orgânicos de carbonato (EC, DMC, EMC) requerem catalisadores de purificação.
- Revestimentos de separadores: Os revestimentos cerâmicos (Al₂O₃, SiO₂) em separadores de poliolefina utilizam ligantes poliméricos curados com peróxido ou iniciadores AZO.
- Tratamento de coletores de corrente: O tratamento de superfície de folhas de alumínio e cobre utiliza agentes de gravação especializados e produtos químicos de passivação.
- Gestão térmica: Os materiais de mudança de fase (PCMs) e os materiais de interface térmica utilizam matrizes poliméricas reticuladas com peróxidos.
Recomendações de produtos
| Produto | Nome químico | Número CAS | Aplicação em baterias |
|---|---|---|---|
| AIBN | Azobis(isobutironitrilo) | 78-67-1 | Látex aglutinante SBR para o ânodo |
| Peroxido de DCP | Peróxido de dicumilo | 80-43-3 | Reticulante para separador de PE |
| Fluoreto para aplicações eletrónicas | Sais de fluoreto de alta pureza | Vários | Síntese de LiPF₆ para eletrólitos |
| Peroxido BIPB | Bis(t-butilperoxiisopropil)benzeno | 2212-81-9 | Cura de material de interface térmica |
| Carbonato de lítio | Li₂CO₃ (grau de bateria) | 554-13-2 | Precursor do cátodo (NCM, LFP) |
Comparação: Sistemas de ligantes para elétrodos de baterias de lítio
| Parâmetro | PVDF (cátodo) | SBR/CMC (ânodo) | Acrílico à base de água |
|---|---|---|---|
| Sistema iniciador | N/A (polimerização em emulsão) | AIBN/AZO | ACVA (solúvel em água) |
| Solvente | NMP (tóxico, reciclável) | Água | Água |
| Resistência à adesão | Excelente | Boa | Moderada |
| Estabilidade eletroquímica | Excelente (4,2 V+) | Boa (<1,0 V vs Li) | Boa (<3,0 V) |
| Custo | Elevado (15-25 $/kg) | Baixo (3-5 $/kg) | Baixo (3-6 $/kg) |
| Impacto ambiental | Elevado (NMP) | Baixo (água) | Baixo (água) |
Estudo de caso: Melhoria da aderência do aglutinante do ânodo para elétrodos com elevado teor de silício
Um fabricante de baterias estava a desenvolver ânodos de alta densidade energética com 15% de teor de silício (SiOₓ). O ligante SBR/CMC utilizado apresentava fraca estabilidade de ciclos (70% de retenção de capacidade após 300 ciclos) devido à expansão volumétrica do silício durante a litiação/deslitiação, o que provocava a delaminação do ligante.
Solução: A Do Sender Chem recomendou um látex de SBR otimizado, sintetizado com o iniciador AIBN numa carga precisa de 0,4 % em peso, produzindo um SBR de PDI estreito (1,5) com peso molecular Mw de 250 000. O ligante melhorado apresentou elasticidade e aderência superiores às partículas de silício.
Resultados:
- Retenção de capacidade após 300 ciclos: 88% (de 70%)
- Eficiência coulômbica no primeiro ciclo: 92,5% (de 89%)
- Resistência à descamação do elétrodo: 4,2 N/m (de 2,8 N/m)
- Inchaço do elétrodo após 100 ciclos: 8% (de 15%)
Requisitos de pureza e controlo de qualidade
Os produtos químicos para baterias exigem um controlo de pureza rigoroso: (1) as impurezas metálicas (Fe, Cu, Ni, Cr) devem ser <10 ppm cada, para evitar curto-circuitos internos; (2) o teor de água nos solventes do eletrólito deve ser <20 ppm; (3) o ácido livre nos peróxidos deve ser <100 ppm para evitar a corrosão dos elétrodos; (4) o tamanho das partículas dos aditivos sólidos deve ter um D50 <1 μm para garantir uma dispersão uniforme. A Do Sender Chem fornece um Certificado de Análise (CoA) completo, com análise de metais por ICP-MS, para cada remessa de produtos de qualidade para baterias.