BATERIAS DE LÍTIO-ÍON - PRINCIPAIS DESAFIOS PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS
Atualmente as baterias de lítio-íon são uma das mais utilizadas do mercado. A quantidade de baterias fabricadas tem aumentado ano após ano, principalmente em decorrência da alta fabricação de veículos elétricos.
Em seu novo relatório a International Energy Agency (organização internacional de energia) mostra que, em 2021, foram vendidos 6,6 milhões de carros elétricos em todo o mundo. De acordo com o relatório a quantidade mais que dobrou em relação a 2020, no qual foram vendidos em torno de 3 milhões de carros elétricos.
O relatório estima que existam 16 milhões de carros elétricos em circulação no mundo, consumindo cerca de 30 terawatt-hora (TWh) de eletricidade anualmente, para se ter uma ideia isso é equivalente a toda a energia gerada na Irlanda.
Composição das Baterias de lítio íon Atuais
Basicamente as baterias são compostas de três partes específicas: o cátodo (polo positivo), o ânodo (polo negativo), o eletrólito e o separador.
Para o papel que exercem no funcionamento de uma bateria, cada componente tem os seus materiais e composições específicas. A variação das possíveis combinações dos materiais utilizados define o desempenho de uma bateria e a sua aplicação comercial final.
Composição e propriedades dos principais cátodos utilizados comercialmente para as baterias de lítio íon
Para os veículos elétricos os materiais dos cátodos são principalmente combinações de metais como o Li (lítio), Ni (níquel), Co (cobalto), Mn (manganês) e Fe (ferro), enquanto para os ânodos os materiais mais utilizados são a base de carbono, como o grafite natural e sintético.
Quais são os principais desafios das baterias de lítio-íon para veículos elétricos?
Como qualquer outro tipo de bateria, alguns desafios e limitações estão presentes na indústria aguardando soluções mais tecnológicas para as baterias de lítio-íon.
O processo de armazenar energia elétrica de uma forma econômica e com uma alta densidade de energia continua sendo um dos principais desafios ainda não resolvidos na sociedade moderna.
Embora o progresso das baterias de lítio-íon tenha sido significativo desde sua criação, existem vários desafios técnicos para atenderem as necessidades futuras da indústria automotiva. Quando comparadas aos eletrônicos de consumo, as aplicações automotivas têm requisitos técnicos mais rigorosos, como vida útil (10 anos), ciclo de vida (1.000 ciclos), faixa de temperatura (-30 a 52 °C) e custo (US$ 100/kWh).
Ganhar vida mais longa e manter maior capacidade é impulsionado pela indústria de veículos elétricos que está se esforçando com o objetivo de fornecer uma bateria com vida útil de 15 anos para os veículos elétricos fabricados. Outra solução importante com diversos estudos em andamento está na eficiência do armazenamento de energia (tanto em peso quanto em volume) para melhorar a competitividade dos veículos elétricos. Da mesma forma, a redução contínua do custo de baterias de lítio-íon em uma base de $/kWh é desafiadora e necessária para aumentar a oportunidade de adoção em larga escala do transporte elétrico.
Espera-se que as baterias de lítio-íon atendam ou excedam o desempenho de segurança dos veículos com motor de combustão movidos a gasolina. Os veículos com motor de combustão também criaram uma expectativa do cliente de reabastecimento rápido, o que é um grande desafio para a tecnologia de baterias de lítio-íon corresponder.
Embora o elevado esforço por parte da indústria no desenvolvimento de novas tecnologias e o desempenho geral das baterias de lítio-íon tenha melhorado muito nos últimos anos, grandes desafios permanecem sobretudo na indústria de veículos elétricos.
Pesquisas recentes e progressos em baterias para veículos elétricos
Outras químicas de baterias têm sido consideradas potenciais candidatas ou mesmo uma solução definitiva para resolver as limitações das atuais baterias dos veículos elétricos. Entretanto a maioria dessas baterias em sua composição ainda não atingiram um nível satisfatório de utilização em larga escala na indústria de veículos elétricos, e não está claro quando esse objetivo será alcançado para resolver as limitações atuais enfrentadas pela utilização de baterias de lítio-íon em veículos elétricos. Abaixo listamos algumas das principais químicas de baterias que estão sendo estudadas como potenciais candidatas para utilização em veículos elétricos.
Lítio-oxigênio (Li-O2)
A tecnologia das baterias de lítio-oxigênio ainda está em desenvolvimento, mas, em teoria, as baterias de lítio-oxigênio (Li-O2), também conhecidas como lítio-Ar, poderiam armazenar uma carga muito maior do que as células convencionais de lítio-íon utilizadas atualmente.
Para isso, elas capturam o oxigênio atmosférico para gerar uma reação química em seu interior no ciclo de descarregamento, e liberam esse oxigênio de volta na hora do recarregamento.
Dependendo dos materiais utilizados, o lítio-ar produz tensões entre 1,7 e 3,2 V/célula. A bateria usa um cátodo de ar catalítico que fornece oxigênio, um eletrólito e um ânodo de lítio.
As baterias de lítio-ar possuem grande potencial para aplicações eficientes de armazenamento de energia para resolver futuras questões energéticas e ambientais. Embora essas baterias atraiam muita pesquisa devido à sua densidade de energia teórica extremamente alta, ainda existem várias limitações técnicas e desafios a serem superados.
Tal como acontece com outras baterias desse tipo a potência específica pode ser baixa, especialmente em temperaturas frias. A pureza do ar também é considerada um desafio, pois o ar que respiramos em nossas cidades não é limpo o suficiente para o ar de lítio e precisaria ser filtrado.
Outro principal problema é que o lítio e o oxigênio formam películas de peróxido de lítio que produzem uma barreira, que impede o movimento dos elétrons e resulta em uma redução abrupta da capacidade de armazenamento da bateria. Os cientistas estão experimentando aditivos para evitar a formação do filme.
Outra questão a ser melhorada é o ciclo de vida desse tipo de bateria. Os testes realizados em laboratório atualmente produzem apenas 50 ciclos.
A IBM, o MIT, a Universidade da Califórnia e outros centros de pesquisa estão trabalhando no desenvolvendo da tecnologia.
Lítio-metal (Li-metal)
O lítio-metal há muito tempo é visto como a futura bateria recarregável por causa de sua alta energia específica e boa capacidade de carga. A bateria de lítio-metal fornece o dobro de energia quando comparadas com as baterias de lítio-íon. No entanto, a deposição de lítio descontrolada causa o crescimento de dendritos.
O dendrito é um acúmulo de cristal de lítio que normalmente começa no ânodo e pode se espalhar por toda a bateria. Ele resulta do carregamento e descarregamento de alta corrente e o seu acréscimo reduz a capacidade do eletrólito disponível na bateria, diminuindo também o seu armazenamento de carga. O crescimento dos dendritos induz riscos de segurança ao penetrar no separador e produzir um curto-circuito elétrico.
Após várias tentativas fracassadas de comercializar baterias recarregáveis ??de lítio-metal, a pesquisa e a fabricação limitada dessa bateria continuam. Em 2010, uma tentativa de lítio-metal com capacidade de 300Wh/kg foi instalado em um veículo elétrico experimental. A DBM Energy, fabricante alemã desta bateria, reivindica 2.500 ciclos, tempos de carga curtos e preços competitivos se a bateria fosse produzida em massa.
Um Audi A2 com essas baterias percorreu mais de 450 km (284 milhas) de Munique a Berlim com uma única carga. Há um boato de que o carro se destruiu em um incêndio durante um teste de laboratório. Embora as baterias de lítio-metal tenham passado nos rigorosos testes de aprovação, a segurança a longo prazo continua sendo um problema porque filamentos de metal podem se formar e causar um curto-circuito.
Soluções para inibir o crescimento de dendritos estão sendo estudadas como por exemplo a adição de nanodiamante como aditivo eletrolítico.
Em conjunto com as pesquisas para inibir os dendritos, as baterias de Lítio-metal podem precisar de outras precauções, incluindo eletrólitos não inflamáveis, materiais de eletrodos mais seguros e separadores mais fortes.
Bateria de estado sólido
As baterias de estado sólido prometem armazenar o dobro da energia em comparação com as baterias de lítio-íon comuns. Segundo o instituto de pesquisa Fraunhofer, com sede em Karlushe na Alemanha, as baterias de estado sólido substituirão gradualmente as baterias de lítio-íon por uma variedade de razões. De acordo com os pesquisadores de Fraunhofer, os pontos fortes são: Densidade de energia, menor risco de incêndio devido ao superaquecimento, menor degradação da estrutura interna e velocidade de carregamento
A bateria de estado sólido compartilha semelhança com o lítio-metal e os cientistas estão tentando superar o problema da formação de filamentos metálicos (dendritos) mesmo com polímeros secos e separadores de cerâmica. Desafios adicionais são baixa condutividade em temperaturas frias, dificuldade para diagnosticar problemas dentro da célula e baixa contagem de ciclos. Diz-se que os protótipos de estado sólido atingem apenas 100 ciclos.
Laboratórios de pesquisa, incluindo a Bosch, preveem que a bateria de estado sólido pode estar disponível para ser implementada em carros em 2025.
Os governos recompensam as empresas que fazem pesquisas sobre baterias de estado sólido com grandes doações. Os relatórios de laboratório apresentam uma segurança superior por não conter eletrólito inflamável, mas alguns especialistas em baterias ainda não estão convencidos de sua viabilidade para substituir o Li-ion.
Um renomado especialista em baterias diz: “Está além da minha compreensão que uma bateria de lítio de estado sólido pode ser feita de maneira econômica para competir com Lítio-íon usando eletrólito líquido em termos de custo por kWh, longevidade e segurança. ”
As baterias de estado sólido tendem a ter alta impedância interna, desempenho ruim em baixa temperatura e estão sujeitas ao crescimento de dendritos.
Lítio-enxofre (Li-S)
Em virtude do baixo peso atômico do lítio e do peso moderado do enxofre, as baterias de lítio-enxofre oferecem uma energia específica muito alta de 550Wh/kg, cerca de três vezes a do lítio-íon. O Lítio-enxofre também possui uma respeitável potência específica de 2.500W/kg.
Durante a descarga, o lítio se dissolve da superfície do ânodo e se inverte durante o carregamento, se depositando de volta no ânodo. O Lítio-enxofre tem uma tensão de célula de 2,10 V, oferece boas características de descarga em temperatura fria e pode ser recarregado a –60°C (–76°F). A bateria é considerada ecológica e o enxofre, o ingrediente principal, está disponível em abundância.
Um desafio com o lítio-enxofre é o ciclo de vida limitado de apenas 40–50 cargas/descargas, pois o enxofre é perdido durante o ciclo, afastando-se do cátodo e reagindo com o ânodo de lítio. Os laboratórios de teste agora relatam melhorias ao atingir 200 ciclos. Outros problemas são baixa condutividade, degradação do cátodo de enxofre com o tempo e baixa estabilidade em temperaturas mais altas. Desde 2007, os engenheiros de Stanford têm experimentado nanofios. Ensaios com grafeno também estão sendo feitos com resultados promissores.
Bateria de íons de sódio (Na-ion)
As baterias de íons de sódio ainda não são capazes de fornecer uma alternativa melhor ao lítio, mas deve-se dizer que seu uso resolveria o problema das matérias-primas, uma vez que estão mais facilmente disponíveis.
Colocado de lado no final dos anos 1980 em favor do lítio, as baterias de íons de sódio têm a vantagem de poder ser completamente descarregada. A bateria também pode ser enviada sem a necessidade de cumprir os regulamentos de mercadorias perigosas. Algumas células têm 3,6V e a energia específica é de cerca de 90Wh/kg com um custo por kWh semelhante ao da bateria de chumbo-ácido. Entretanto mais desenvolvimento será necessário para melhorar o ciclo de vida e resolver a grande expansão volumétrica quando a bateria estiver totalmente carregada.
Estima-se que essas baterias poderiam custar de 30% a 50% menos do que as baterias mais baratas atualmente em circulação.
Por outro lado, no entanto, voltamos ao problema da densidade energética, que seria inferior à média das baterias de íons de lítio.
Conclusão
A alta demanda por veículos elétricos tem se tornado um dos principais fatores pela corrida industrial da “bateria perfeita”.
Empresas de baterias e montadoras estão investindo pesadamente para construir baterias mais baratas, mais densas e mais leves. As novas tecnologias percorrem toda a gama. Alguns dão uma nova reviravolta as químicas de baterias antigas para melhorias incrementais. Outros alteram o fator de forma da bateria ou a montagem da bateria para obter ganhos significativos em desempenho ou custos. No futuro, espera-se que surjam produtos químicos radicalmente diferentes e outros grandes avanços para a indústria de baterias refletindo diretamente no preço e na difusão dos veículos elétricos.