Impulsionados pela transição energética global e pelas estratégias de “duplo carbono”, baterias de íons de lítio são componentes essenciais de veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia. A melhoria de seu desempenho e a redução de custos são prioridades essenciais da indústria. Os materiais dos eletrodos negativos, o "coração energético" das baterias de lítio, determinam a capacidade, a vida útil e a segurança. Os ânodos de grafite tradicionais, aproximando-se do limite de capacidade de 372 mAh/g, não conseguem atender às demandas de alta densidade energética. Embora materiais emergentes, como eletrodos à base de silício e carbono duro, sejam bastante promissores, eles enfrentam problemas como expansão severa de volume e baixa condutividade elétrica. Nesse contexto, Carbonato de cálcio em materiais de eletrodos negativos vem atraindo cada vez mais atenção. Com suas propriedades físico-químicas únicas, este material inorgânico tradicional está encontrando caminhos inovadores por meio do design de materiais e avanços tecnológicos para aprimorar os sistemas de ânodo de última geração.
Características físico-químicas e vantagens funcionais do carbonato de cálcio
O carbonato de cálcio é um mineral natural abundante, conhecido por seu baixo custo, respeito ao meio ambiente e alta estabilidade química. Sua estrutura cristalina contém um grande número de lacunas, que podem ser modificado ou compostos para introduzir condutividade, adsorção de íons e suporte estrutural. Carbonato de cálcio em materiais de eletrodo negativo, seu valor reside em várias funções principais:
- Regulação Estrutural: O carbonato de cálcio atua como um molde, criando estruturas porosas. Isso aumenta o contato ânodo-eletrólito e encurta os caminhos de difusão de íons de lítio.
- Otimização de interface: Adsorve subprodutos como HF, reduzindo o crescimento excessivo do filme SEI. Isso promove uma camada de interface mais densa e condutora.
- Buffering de volume: Em ânodos à base de silício, atenua a expansão de volume, evitando a pulverização do eletrodo.
- Melhoria da condutividade: O carbonato de cálcio halogenado ou revestido de carbono melhora a condutividade eletrônica, reduzindo a resistência interna.
Aplicações inovadoras de carbonato de cálcio em materiais de eletrodos negativos
Formação de poros em ânodos de carbono duro
O carbono duro é usado em baterias de íons de sódio e íons de lítio de baixa temperatura. Sua capacidade reversível e eficiência são limitadas. Usando poliacrilonitrila e carbonato de cálcio, pesquisadores criaram microesferas de carbono porosas. O processo envolveu polimerização em emulsão, pré-oxidação, carbonização e ataque ácido. O material atingiu uma área superficial de 800 m²/g. Após o ataque ácido, a porcentagem de microporos aumentou de 13,471 TP3T para 28,61 TP3T. A capacidade da primeira carga atingiu 620 mAh/g, mantendo-se em 520 mAh/g após 50 ciclos — uma melhoria de 651 TP3T. O carbonato de cálcio se decompõe em CO₂, formando nanoporos que melhoram o armazenamento de lítio e aliviam o estresse.
Buffering de volume em ânodos à base de silício
Os ânodos de silício oferecem capacidade de 4200 mAh/g, mas enfrentam expansão de volume de 300%, causando pulverização. Um compósito Si@CaCO₃@C foi desenvolvido utilizando nanossilício, carbonato de cálcio e ácido cítrico. Moagem de esferas de alta energia e carbonização criaram uma estrutura tridimensional. A camada de carbonato de cálcio amortece o estresse mecânico, enquanto a camada de carbono garante a condução de elétrons. O compósito manteve a capacidade de 82% após 500 ciclos a 1C, uma melhoria de 40% em relação ao silício puro.
Estabilidade de interface em baterias de lítio-metal
Baterias de lítio-metal enfrentam o crescimento de dendritos e a decomposição de eletrólitos, com risco de curto-circuitos. O nanocarbonato de cálcio foi adicionado como aditivo eletrolítico. Ele adsorve HF, suprimindo o crescimento excessivo de SEI. Íons Ca²⁺ formam um escudo eletrostático, promovendo a deposição uniforme de lítio. Com o nano-CaCO₃ 5%, a eficiência coulômbica aumentou de 82% para 96% e a vida útil triplicou. A temperatura de decomposição do eletrólito aumentou em 50 °C, alcançando a classificação UL94 V-0.
Revestimentos separadores para estabilidade térmica
Separadores de poliolefinas contraem a 135 °C, causando curtos-circuitos. O carbonato de cálcio clorado introduz íons Cl⁻, aumentando a concentração de portadores de carga. A contração térmica do separador revestido caiu de 80% para 5%. A condutividade iônica aumentou em 30%, permitindo o carregamento rápido de 4C.
Revolução Funcional do Carbonato de Cálcio
O carbonato de cálcio está evoluindo de um enchimento para um aditivo funcional:
- Reforço de bigode: Os fios de carbonato de cálcio formam redes condutoras, aumentando a resistência e a condutividade do eletrodo.
- Efeito de ponto quântico: Pontos quânticos de carbonato de cálcio aumentam a adsorção de íons de lítio por meio de ressonância plasmônica de superfície.
- Design Biomimético: Inspirados nas estruturas de conchas, ânodos autorreparadores estão sendo desenvolvidos para prolongar a vida útil das baterias.
Conclusão
As aplicações do carbonato de cálcio em materiais de eletrodos negativos refletem inovação em materiais e colaboração entre setores. Este mineral oferece soluções de baixo custo e alto desempenho para a transição energética global. Pó ÉPICO, especialista em processamento de pós ultrafinos, aprimora essas aplicações por meio de equipamentos avançados para a produção de ânodos de baterias de lítio. Suas soluções incluem alimentação sem poeira, moagem ultrafinae classificação de materiais como grafite e compósitos de carbono. Ao otimizar a qualidade do pó de carbonato de cálcio — garantindo alta brancura, finura de até 3000 mesh e modificação de superfície — o EPIC permite melhor dispersibilidade e desempenho em eletrodos de bateria. Isso proporciona uma fabricação escalável e eficiente para armazenamento de energia de última geração.