Antes de conhecer a capacidade de energia de qualquer bateria, é muito importante entender sua densidade de energia. Uma bateria com uma densidade de energia mais alta tende a funcionar por mais tempo do que qualquer outra bateria.
Baterias como baterias de íons de lítio estão agora se movendo em direção a um aumento na densidade de energia. Isso ocorre porque aumentar a densidade pode aumentar muito a capacidade de tensão da bateria e a taxa de descarga.
No entanto, existem alguns requisitos e objetivos para melhorar a densidade de energia. Quem são esses? Vamos dar uma olhada detalhada neles abaixo.
O que é densidade de energia em baterias?
As pessoas muitas vezes confundem densidade de energia com o termo densidade de potência. Mas, ambos são termos diferentes usados para medições diferentes. Por exemplo, a densidade de potência é a medida da eficiência energética de uma bateria, enquanto a densidade de energia é a energia medida em resposta ao seu peso.
Para medir a rapidez com que a energia pode ser entregue de uma célula para outra, você pode usar o termo densidade de potência. Já a densidade de energia corresponde à quantidade de energia que uma bateria contém de acordo com seu peso.
Além disso, a forma como você mede a densidade de energia da bateria de íons de lítio é simples e é feita em watts-hora por quilograma ou simplesmente simbolizada como Wh/kg. É também a unidade de energia elétrica que indica quanta energia é consumida por hora em um watt.
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Qual é a densidade de energia da bateria de íons de lítio?
Neste ponto, você sabe claramente o que significa medir a densidade de energia de uma célula ou bateria. Mas, como você pode medir a energia da bateria de íons de lítio ainda está em questão. Bem, a densidade de energia é geralmente dividida em duas seções:
I. Densidade de energia em peso
II. Densidade de energia de volume
A quantidade de energia que uma bateria contém é uma característica muito importante de qualquer bateria e é necessária para medir seu tempo de execução. Para baterias de íons de lítio, a densidade de energia varia entre 50-260 Wh/kg, que é comparativamente entre a faixa de densidade de outras baterias.
Como calcular a densidade de energia da bateria de íons de lítio?
Geralmente, existem duas maneiras de determinar a densidade de energia de uma bateria. Uma é a medição de energia gravimétrica e a outra é a medição de energia volumétrica. Ambas as medições são tomadas na unidade padrão de Wh/kg e, portanto, igual a um watt e uma hora de consumo.
Para calcular a densidade de energia da bateria de íons de lítio, diferentes fórmulas são usadas. A fórmula padrão e simples de cálculos são as seguintes:
● Tensão Nominal da Bateria (V) x Capacidade Nominal da Bateria (Ah) / Peso da Bateria (kg) = Energia Específica ou Densidade de Energia (Wh / kg).
A partir dessa medição, podemos calcular facilmente a densidade de energia das baterias de íons de lítio se conhecermos os valores de tensão nominal, capacidade da bateria e peso da célula. Além disso, aqui estão duas outras fórmulas para calcular a densidade de energia de uma bateria de íons de lítio:
● Densidade de energia (Wh/L) = capacidade da bateria × tensão/volume da plataforma de descarga
● Peso da bateria Densidade de energia = capacidade da bateria × plataforma de descarga/ peso
A primeira envolve o Wh/L como unidade padrão de cálculo, enquanto a segunda tem Wh/kg como unidade padrão. Ambas as fórmulas são vitais para calcular a quantidade de energia em baterias de íons de lítio.
Se alguém deseja calcular a densidade de energia de baterias de íons de lítio em diferentes intervalos, pode usar a seguinte fórmula para diferentes períodos de tempo:
● Para consumo diário de energia
Consumo de energia diário = potência nominal x tempo em horas. 2000 Watts x 3 Hrs = 6000 Watts-hora.
● Para Consumo Mensal de Energia
Consumo de energia mensal = potência nominal x tempo em horas. 2000 watts x 3 horas x 30 dias = 180000 watts-hora
Além disso, para calcular a densidade de energia em joules, você pode multiplicar o número de watts pelo número de segundos como (60 watts) x (120 segundos) = 7200 Joules.
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Densidade de potência vs densidade de energia: qual é a diferença?
Como mencionado anteriormente, tanto a densidade de potência quanto a densidade de energia são termos totalmente diferentes e têm seu próprio uso em diferentes células de bateria. A densidade de potência refere-se simplesmente à rapidez com que uma bateria pode fornecer a energia ou a eficiência de uma célula.
Por outro lado, a densidade de energia é a medida da quantidade de energia que uma bateria possui em resposta ao seu peso. Para entender melhor, aqui estão alguns dos principais pontos diferenciais entre os dois:
● A densidade de potência não é uma métrica importante para calcular o tempo de execução de uma bateria. Por outro lado, a densidade de energia mede quanto tempo sua bateria pode durar.
● Para medir o desempenho da bateria, seu peso, tamanho e dimensões, a densidade de energia é amplamente aplicável além da densidade de potência.
● A vida útil de uma bateria totalmente medida pela densidade de energia e não pela densidade de potência.
Comparação de densidade de energia: qual bateria tem a maior densidade de energia?
Quando se trata de determinar a densidade de energia de diferentes baterias de células, você deve ter muito cuidado, pois todas as células têm diferentes faixas de densidade. Portanto, a melhor maneira de saber qual célula tem a maior densidade de energia é observando sua química interna.
Discutimos a densidade de energia das baterias de íons de lítio. Mas, esta é a quantidade máxima de energia que uma bateria tem? Não, aqui está uma lista de algumas outras células de bateria populares que mostram diferentes faixas de energia: -
➔ A bateria de chumbo-ácido tem uma densidade de energia na faixa de 30-50 Wh/kg
➔ A bateria de níquel-cádmio tem uma densidade de energia na faixa de 45-80 Wh/kg
➔ A bateria de níquel-hidreto metálico tem uma densidade de energia na faixa de 60-120 Wh/kg
➔ A bateria de íons de lítio tem uma densidade de energia na faixa de 50-260 Wh/kg
A tabela mostra as variações de densidade de energia de diferentes tipos de bateria:
| Tipo de Bateria | Custo $ por Wh | Wh / kg | Wh/litro |
| Chumbo ácido | $0.17 | 41 | 100 |
| Alcalina longa vida | $0.19 | 110 | 320 |
| Carbono-zinco | $0.31 | 36 | 92 |
| NiMH | $0.99 | 95 | 300 |
| NiCad | $1.50 | 39 | 140 |
| Lithium-ion | $0.47 | 128 | 230 |
A partir daqui, entende-se claramente que as baterias de íons de lítio têm a densidade máxima de energia e, portanto, possuem uma grande quantidade de energia do que qualquer outra bateria no mercado. No entanto, também apresenta algumas variações.
Como você sabe, as baterias de íons de lítio consistem ainda em um grupo de células menores em sua composição, o que ajuda a aumentar o desempenho da bateria. Esses tipos de bateria têm eletrólitos diferentes em sua solução.
Alguns têm grafite como cátodo, enquanto outros têm alumínio, de modo que contêm densidades de energia diferentes. Vamos dar uma olhada nas densidades de energia de diferentes tipos de bateria de íon de lítio.
1. Baterias de Titanato de Lítio (LTO)
Uma das baterias de íon de lítio amplamente utilizadas como titãs da indústria são as baterias de titanato de lítio (LTO). Embora estes sejam mais antigos em natureza e composição ainda têm uma densidade de energia de 50 a 80 Wh/kg.
Nas células de lítio do tipo LTO, o titanato de lítio é usado como ânodo no lugar do carbono, o que permite uma rápida entrada e saída de elétrons nas células. Embora sua densidade de energia seja comparativamente baixa do que outras células de íons de lítio, elas são usadas em dispositivos médicos e veículos.
2. Baterias de óxido de cobalto de lítio (LCO)
Ao contrário das baterias de titanato de lítio, as baterias de óxido de cobalto de lítio têm maior densidade de energia e, portanto, formam a base de telefones celulares, laptops e outros veículos elétricos. A quantidade de energia que eles carregam varia de 150 a 200 Wh/kg.
Devido à alta energia desses tipos de baterias de lítio, elas são caras e precisam de alta manutenção do que qualquer outra célula de bateria. Além disso, as baterias LCO usam óxido de cobalto como um catodo típico, que é um material muito denso e volátil. Assim, essas baterias têm um risco maior de superaquecimento e são sensíveis a faixas de temperatura mais altas.
3. Baterias de óxido de cobalto manganês e níquel-lítio (NMC)
Assim como as baterias LCO, esse tipo de bateria de lítio utiliza cobalto como cátodo em sua composição. Além do cobalto, eles também possuem níquel e manganês, o que ajuda a aumentar a estabilidade das células da bateria. Com isso, as baterias NMC têm uma densidade de energia de bateria de 150 a 220 Wh/kg.
O amplo uso de tipos de baterias NMC é em veículos elétricos, mas também são uma parte importante de dispositivos médicos e e-bikes. Sua alta densidade de energia da bateria e capacidade de fabricação as tornaram as baterias de íons de lítio mais estáveis e populares do mercado.
Ao contrário das baterias LCO, as baterias de níquel manganês cobalto não são sensíveis a altas temperaturas. Assim, eles também podem lidar facilmente com faixas de alta temperatura e pressão.
4. Baterias de fosfato de ferro e lítio (LFP)
Uma das baterias mais adoráveis, seguras e confiáveis da indústria é a Bateria de fosfato de ferro-lítio (LFP). Eles têm uma alta densidade de energia de 90 a 160 Wh/kg, que é menor do que as baterias de cobalto, mas ainda é mais do que alguns outros tipos populares de baterias de lítio.
Além disso, o eletrodo de grafite e o suporte metálico do ânodo nas baterias LFP as tornaram baterias baratas, não tóxicas e ideais para equipamentos pesados. O ponto positivo é que o LiFePo4 é um mineral orgânico natural e, portanto, é altamente confiável em comparação com as baterias de chumbo-ácido.
Para ilustrar a diferença e comparação de densidade de energia entre os diferentes tipos de energia de células de íon de lítio, dê uma olhada no gráfico abaixo:
| Tipo de bateria de íon de lítio | Densidade de Energia (Wh/kg) | Prós | Desvantagens |
| Titanato de lítio (LTO) | 50-80 | Longa vida, estável | Baixa densidade de energia, mais caro |
| Óxido de lítio-cobalto (LCO) | 150-200 | Alta densidade de energia | Volátil e caro |
| Óxido de Lítio Níquel Manganês Cobalto (NMC) | 150-220 | Alta densidade de energia | Mais seguro que o LCO, mas ainda relativamente instável e caro |
| Fosfato de lítio e ferro (LFP) | 90-160 | Densidade de energia média-alta | Densidade de energia estável, duradoura e mais alta |
Perguntas frequentes sobre a densidade de energia da bateria de íon-lítio
Como aumentar a densidade de energia da bateria?
A estrutura de uma célula de bateria é projetada de forma que você possa melhorar facilmente os recursos de fabricação de uma bateria quando necessário. Assim, se você deseja aumentar a densidade de energia da bateria de íons de lítio, deve se concentrar nos dois fatores a seguir:
I. Aumentando o tamanho da bateria
Ao aumentar o tamanho ou as dimensões de uma bateria, você pode melhorar facilmente o desempenho da bateria. Ao alterar o tamanho original da bateria, você pode melhorar facilmente a densidade de energia para uma escala maior.
Ii. Modificando a composição química
A composição de uma bateria também importa muito. Alterar a composição do eletrólito também pode aumentar a capacidade da bateria. Você pode fazer isso atualizando os eletrodos positivos e negativos de sua bateria e modificando-os com material forte.
Qual é a diferença entre densidade de potência e densidade de energia?
A densidade de potência é a medida da eficiência energética de uma bateria, enquanto a densidade de energia é a energia medida em resposta ao seu peso. Portanto, ambos são dois termos diferentes e têm um papel importante na determinação da capacidade de energia e vida útil de uma bateria.
Para medir a rapidez com que a energia pode ser entregue de uma célula para outra, você pode usar o termo densidade de potência. Já a densidade de energia corresponde à quantidade de energia que uma bateria contém de acordo com seu peso.
Qual é a diferença na densidade de energia entre as baterias de gasolina e de íon de lítio?
No que diz respeito à densidade de energia das baterias de gasolina e de íon de lítio, a gasolina tem 100 vezes mais densidade de energia do que qualquer outra bateria. Como sabemos, uma bateria de íons de lítio tem uma densidade de energia de cerca de 0.3 MJ/L, enquanto a gasolina tem uma densidade de energia de 13 KWh/kg. Esta é a razão pela qual a gasolina é amplamente utilizada em carros e veículos totalmente abastecidos.
As baterias de íons de lítio têm uma densidade de energia mais alta do que as baterias de chumbo-ácido?
Embora as baterias de chumbo-ácido sejam de grande importância entre as baterias recarregáveis populares em termos de densidade de energia, elas permanecem baixas no gráfico. Com uma faixa de densidade de energia de 30 a 50 Wh/kg, as baterias de chumbo-ácido ficam atrás da faixa de densidade de energia das baterias de íon-lítio de 50 a 260 Wh/kg.
Além disso, as baterias de íons de lítio consistem em tipos de células menores com diferentes faixas de energia e, portanto, são termicamente mais estáveis. Essa alta densidade de energia os torna o tipo de bateria ideal para ser usado em backups de energia, UPS, e produtos eletrônicos. Além disso, são a primeira escolha do setor automotivo e da eletrônica automotiva.
Veredicto final
Agora, você entendeu claramente a densidade de energia das baterias de íons de lítio e como você pode medi-las. No entanto, certifique-se de verificar a composição eletrolítica e o peso da bateria antes de fazer uma compra final. Dessa forma, você poderá aumentar a capacidade da bateria e o desempenho geral ao longo do tempo.
