Na próxima geração de tecnologia avançada de baterias secundárias, baterias de lítio totalmente sólidas e baterias de lítio-enxofre são os dois principais sistemas de desenvolvimento. Baterias de sulfeto totalmente sólidas usam eletrólitos sólidos seguros e não inflamáveis. Isso ajuda a corrigir problemas de segurança encontrados em baterias com eletrólitos orgânicos. Baterias de lítio-enxofre apresentam metal de lítio como eletrodo negativo. Elas usam enxofre ou sulfeto de lítio (Li2S) para o eletrodo positivo. Essas baterias podem armazenar energia cinco vezes maior do que as baterias de íons de lítio comuns. Nos últimos anos, esses dois tipos de bateria se tornaram essenciais no desenvolvimento de tecnologia de energia em todo o mundo.
O que é sulfeto de lítio (Li2S)?
O sulfeto de lítio (Li2S) é essencial para fazer eletrólitos sólidos de sulfeto (SSE). Também é a melhor escolha para o eletrodo positivo em baterias de lítio-enxofre. Usar eletrodos negativos como grafite e silício pode ajudar a prevenir riscos de segurança vinculados a eletrodos de metal de lítio. Então, a demanda por materiais Li2S tem aumentado no mercado global ultimamente.
Antes que as baterias de lítio-enxofre e sulfeto de estado sólido ganhassem atenção, o sulfeto de lítio tinha poucos usos práticos. Poucas pessoas o estudavam naquela época. O editor da China Powder Network verificou as informações. Eles descobriram que, no século XX, apenas alguns documentos chineses discutiam o Li2S em baterias. O primeiro foi um relatório de pesquisa do acadêmico Chen Liquan do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, junto com pesquisadores da Universidade de Pequim em 1985. Depois de quase 30 anos, por volta de 2015, o entusiasmo da pesquisa pelo sulfeto de lítio aumentou gradualmente. Hoje, o sulfeto de lítio é uma "estrela" em baterias de estado sólido e materiais de lítio-enxofre.
Como preparar sulfeto de lítio (Li2S)?
O sulfeto de lítio puro aparece como cristais brancos a amarelos. Ele tem uma estrutura antifluorita. Sua densidade relativa é 1,66. O ponto de fusão é 938°C e o ponto de ebulição é 1372°C. Ele se dissolve facilmente em água e também é solúvel em etanol e ácido. No entanto, ele não se dissolve em álcali. Os compostos Li2S não existem na natureza. Eles se decompõem facilmente no ar, o que leva à produção de gás sulfeto de hidrogênio. Este gás tem um cheiro de ovos podres.
Ao contrário do primeiro, os outros dois sulfetos de metais alcalinos, Na2S e K2S, podem se misturar com água. Eles formam cristais hidratados: Na2S·9H2O e K2S·5H2O. Você pode obter suas formas anidras aquecendo-os diretamente. Esses três sulfetos têm propriedades químicas muito semelhantes. Eles compartilham o mesmo ânion divalente, S2-. Essa semelhança os torna úteis na fabricação de papel, couro e vulcanização de borracha. O Li2S custa muito mais do que os outros dois produtos semelhantes. Isso ocorre principalmente porque o lítio, sua matéria-prima, é caro. Além disso, a produção e o armazenamento são desafiadores.
Os métodos atuais para produzir sulfeto de lítio incluem:
- Método de moagem de bolas
- Método solvente
- Método de alta temperatura e alta pressão
- Método composto de carbono direto
Moagem de bolas
Princípio do processo: Misture enxofre elementar com lítio metálico ou hidreto de lítio em uma atmosfera inerte. Então, use moagem mecânica de esferas para criar sulfeto de lítio.
Vantagens: Processo simples, ecologicamente correto, sem geração de resíduos líquidos.
Desvantagens:
- Alto custo das matérias-primas (hidreto de lítio)
- Longo tempo de reação
- Baixa taxa de conversão
- O produto contém impurezas como polissulfeto de lítio, que são difíceis de purificar
- Escolher equipamentos industriais é desafiador.
Método solvente
Princípio do processo: Misture compostos de lítio e enxofre em um solvente. Essa reação produz sulfeto de lítio. O solvente pode ser um solvente orgânico ou amônia líquida. Solventes orgânicos incluem hidrocarbonetos alifáticos, hidrocarbonetos aromáticos ou solventes de éter. Exemplos comuns são etanol, hexano, tolueno, éter, tetrahidrofurano e nitrogênio metil pirrolidona.
Vantagens:
- A reação da fase líquida está completa.
- É menos provável que impurezas permaneçam.
- Purificar o produto é fácil.
- Não é necessário tratamento de alta temperatura.
- O consumo de energia é baixo.
- O processo é simples e as condições de trabalho são fáceis de controlar.
Desvantagens: Solventes orgânicos podem pegar fogo, explodir e evaporar rapidamente. Isso leva a poluição séria e dificulta a reciclagem. Além disso, trabalhar com eles é muito perigoso e difícil de gerenciar.
Método de alta temperatura e alta pressão
Princípio do processo: Em uma atmosfera protetora que é inerte ou redutora, alta temperatura e pressão fazem compostos de lítio e enxofre reagirem. Essa reação ajuda a criar sulfeto de lítio.
Vantagens: O processo é simples. Ele não gera gás prejudicial. Ele também usa alta temperatura e pressão para evitar vazamentos de solventes prejudiciais. Isso encurta muito o tempo de preparação.
Desvantagens:
- Alta temperatura e pressão dificultam o controle.
- Há requisitos rigorosos de equipamento.
- O processo de reação e o pós-processamento apresentam riscos maiores.
Processo de Composto de Carbono Direto
Princípio do processo: O carbono pode reduzir materiais facilmente. Isso nos permite adicionar carbono diretamente ao fazer sulfeto de lítio. Isso faz um composto de sulfeto de lítio/carbono. Ele tem dispersão uniforme, desempenho forte e um formato controlável, tudo em uma etapa.
Vantagens:
- A reação é mais fácil de controlar. Isso ajuda com os problemas de produção e armazenamento causados pela sensibilidade do sulfeto de lítio à água e ao oxigênio.
- Aumenta o rendimento e o desempenho do produto.
- Ele simplifica o complexo processo de preparação de compostos tradicionais de sulfeto de lítio/carbono.
- Melhora a forma como os materiais ativos se espalham no eletrodo positivo das baterias de lítio-enxofre.
- Também melhora o desempenho eletroquímico dessas baterias.
Desvantagens: A tecnologia do processo precisa de melhorias. A qualidade do produto é instável. Além disso, a morfologia do material composto é difícil de controlar.
Qual é a dificuldade em industrializar sulfeto de lítio (Li2S) para baterias?
O sulfeto de lítio é uma matéria-prima essencial para eletrólitos sólidos de sulfeto. Japão, Coreia do Sul, Estados Unidos e China lideram em tecnologia de baterias. Japão e Coreia do Sul estão pressionando fortemente por baterias de estado sólido à base de enxofre. Eles estão fazendo planos estratégicos para avançar essa tecnologia. Embora todas as empresas estejam promovendo vigorosamente o desenvolvimento de baterias de estado sólido à base de enxofre, as baterias de estado sólido à base de enxofre ainda não foram industrializadas.
As principais razões são dois pontos:
- O alto custo das matérias-primas, especialmente o sulfeto de lítio.
- O problema de interface em baterias de estado sólido à base de enxofre afeta a ligação entre os eletrodos positivo e negativo e o eletrólito sólido.
O sulfeto de lítio é importante para fazer eletrólitos sólidos de sulfeto e para baterias de lítio-enxofre. Sua pureza, tamanho de partícula e formato são cruciais para o desempenho da bateria. O custo de produção também é essencial para usar com sucesso o sulfeto de lítio em baterias comerciais.
Matérias-primas de alto risco são difíceis de obter
Os principais materiais para sulfeto de lítio são:
- Lítio metálico ou hidreto de lítio
- Gás sulfídrico
- Solventes orgânicos
Lítio metálico e hidreto de lítio podem ser difíceis de encontrar, e H2S é um gás muito tóxico. Isso o torna perigoso para transportar, usar e armazenar. A maioria dos solventes orgânicos são produtos químicos perigosos, inflamáveis ou explosivos. Há muitas incertezas e riscos em obter e armazenar matérias-primas de sulfeto de lítio.
A separação e purificação de produtos de alta pureza é difícil
Alguns fabricantes de eletrólitos agora exigem maior pureza para sulfeto de lítio. Eles definem estes padrões:
- O teor de carbono deve ser 0,1% ou inferior.
- O teor de umidade deve ser ≤100 mg/kg.
- Impurezas metálicas devem estar abaixo de 100 mg/kg.
- O tamanho das partículas deve ser D50≤7 um e D90≤2D50.
Alguns fabricantes de sulfeto de lítio precisam purificar seus produtos. Isso adiciona complexidade ao processo.
O desenvolvimento de equipamentos especiais para a produção de sulfeto de lítio é difícil
O sulfeto de lítio é um novo sal de lítio. É uma matéria-prima importante para a próxima geração de baterias de estado sólido de alta densidade energética. No momento, a China está trabalhando para transformar esse material de produção em pequena escala para uso industrial completo. O equipamento industrial precisa ser personalizado de acordo com o processo, e o desenvolvimento do equipamento é difícil. O sistema de material atual não atende às necessidades de personalização para equipamentos industriais de sulfeto de lítio. O principal problema que impede a industrialização do sulfeto de lítio é a necessidade de equipamentos especiais.
