ENVELHECIMENTO DAS BATERIAS DE LÍTIO-ÍON
As baterias de lítio íon são comercializadas desde 1991, inicialmente relacionadas a dispositivos móveis, como telefones celulares e laptops. O interesse nessa tecnologia aumentou consideravelmente e gerou muitas pesquisas para melhorar o desempenho dessas baterias.
Recentemente, as baterias de lítio íon penetraram no mercado de veículos híbridos e elétricos, graças à alta densidade de energia e o baixo peso das baterias de lítio, tornando-as as candidatas mais promissoras para este campo de aplicações.
Diferentes organizações estimam que veículos elétricos (VE) representarão num futuro próximo boa parte do total de automóveis de passageiros no mundo, com presença em todas as principais regiões do mundo.
A suposta evolução das vendas de veículos elétricos é altamente sensível ao desenvolvimento da bateria. Considerando a evolução dos preços, prevê-se que o custo da bateria diminua com o tempo, o que induzirá custos de VE mais interessantes.
Essa evolução do mercado faz prever os próximos passos no desenvolvimento das baterias: aumento da capacidade máxima, vida útil da bateria equivalente à vida útil do carro, redução de custos para que o custo do VE seja igual à de um automóvel à combustão, operando em todos os climas.
Os usos preliminares dessa tecnologia de bateria tinham uma vida útil baixa. Com as novas aplicações, os interesses agora estão focados no fenômeno do envelhecimento, considerando as necessidades dos fabricantes de automóveis elétricos.
Em termos de projeto da bateria, alguns objetivos são claramente definidos para a vida útil entre 10 e 15 anos ou entre 20.000 e 30.000 ciclos de carga e descarga.
E neste contexto, os fenômenos de envelhecimento da bateria se tornam cada vez mais importantes. O crescimento da resistência interna da bateria e a diminuição da sua capacidade são as principais consequências do envelhecimento.
Para poder aumentar a vida útil das baterias de lítio é necessário compreender os mecanismos de envelhecimento.
Esses mecanismos não são de fácil compreensão já que fatores ambientais bem como o modo como se utilizam as baterias tem influência direta sobre o envelhecimento.
O envelhecimento ocorre inicialmente na composição química do eletrólito da bateria. Os mecanismos de degradação do eletrodo positivo e negativo são diferentes. A origem dos mecanismos de envelhecimento pode ser química ou mecânica e depende fortemente da composição dos eletrodos.
O envelhecimento provoca ao longo do tempo a degradação do eletrodo, o que pode induzir a perda de material ativo pela dissolução do material no eletrólito. Assim, os principais fenômenos advêm da degradação dos eletrodos.
O envelhecimento da bateria, ou sua perda de capacidade se dá por:
- Idade da bateria
- Número de ciclos de carga e descarga efetuados
Quanto mais ciclos de carga e descarga a bateria executa mais ela perde sua capacidade. Quanto mais idosa é a bateria, mesmo não sendo usada, mais ela perde sua capacidade.
O envelhecimento por causa da idade é a proporção irreversível da capacidade perdida durante a vida da bateria, independentemente de estar sendo usada ou não. Em outros termos, é a degradação causada pelo armazenamento da bateria. A taxa de descarga automática varia muito de acordo com as condições de armazenamento. Portanto, os efeitos que ocorrem dentro da bateria podem ser acelerados ou retardados, dependendo das condições de armazenamento.
Numerosos estudos experimentais mostraram o impacto das condições de armazenamento nesse envelhecimento.
As principais variáveis que aceleram ou retardam o envelhecimento pela idade são:
- Temperatura
- Estado de carga
Quando a temperatura é alta, reações secundárias, como a corrosão, são facilitadas e a perda de lítio é mais importante do que em condições de temperatura moderada, o que induz a diminuição da capacidade da bateria. Baixas temperaturas permitem limitar o desenvolvimento desses fenômenos, mas essas condições geram alguns problemas devido às alterações na química da bateria.
A outra variável principal dos estudos de envelhecimento pela idade da bateria é o nível de carga da bateria durante o armazenamento. Assim, para uma temperatura igual, mas para um estado de carga diferente, as células não envelhecem da mesma maneira. Ocorre uma degradação maior da bateria para um estado de carga mais elevado.
Por definição, o estado de carga representa a proporção de íons presente nos eletrodos, o que implica, para um estado de carga elevado, um enorme desequilíbrio potencial na interface eletrodo / eletrólito. Isso promove reações químicas que aceleram a degradação da bateria. A temperatura e o estado de carga afetam diretamente o envelhecimento da bateria por idade. Além disso, a perda de capacidade e o aumento da resistência interna da bateria não são lineares com o tempo o que implica uma forte interação do comportamento do envelhecimento com o tempo.
O envelhecimento da bateria pelo número de ciclos ocorre quando a bateria está sendo carregada ou descarregada. O envelhecimento é uma consequência direta do modo de utilização, das condições de temperatura e das solicitações da bateria. Consequentemente, muitos fatores estão envolvidos nesse tipo de envelhecimento.
Em primeiro lugar, todos os fatores descritos anteriormente que afetam o envelhecimento da bateria pela idade também são incluídos nos estudos sobre o envelhecimento devido ao número de ciclos. Na maioria dos casos, uma bateria em uso é propensa a efeitos exotérmicos e essas reações podem ser facilitadas em altas temperaturas e provocar o envelhecimento da bateria.
Outra variável que afeta o envelhecimento da bateria de lítio íon é a tensão de carga/descarga durante sua vida útil. Assim, a alta tensão de carga implica no fenômeno do envelhecimento acelerado. Estudos mostram que a duração de uma bateria foi reduzida pela metade para um aumento de 0,1V acima da tensão máxima de carga. A tensão final de descarga também influencia o envelhecimento da bateria através do aumento da impedância. Finalmente, picos de corrente também parecem estar envolvidos no fenômeno do envelhecimento.