Os desenvolvedores de baterias enfrentam alguns desafios difíceis ao projetar essas células eletroquímicas. Dependendo do uso e da aplicação da bateria, esses desafios incluem:
- Energia e densidade de potência
- Vida útil da bateria
- Custos
- Sustentabilidade
Modelagem e simulação são dois métodos atuais que pesquisadores e desenvolvedores utilizam para testar e melhorar tais questões. A otimização de cada componente de uma bateria e de um sistema de bateria — como eletrólito, eletrodos e separador — pode ser acelerada usando modelagem e simulações. Por exemplo, o Centro de Pesquisa Fiat aplica modelagem matemática para estudar o gerenciamento térmico de células de contêineres para seus veículos híbridos.
O avanço dos designs de baterias do futuro exigirá uma análise detalhada de cada um desses elementos-chave…
Densidade de energia é restringido pela química da bateria e pelo seu design. A química é definida pelo material do eletrodo e pela estrutura do eletrólito. Por exemplo, as baterias de lítio-ar oferecem um grande potencial para aplicações de armazenamento de energia eficiente devido à sua densidade de energia teórica extremamente elevada. No entanto, ainda existem limitações técnicas a considerar antes da sua implementação segura, como os componentes necessários para a gestão térmica e o peso da bateria.
Além disso, a densidade de potência de uma bateria é necessária para algumas aplicações, especialmente para a eficiência de veículos elétricos. A alta densidade de potência é necessária ao recuperar energia em um curto período de tempo, como por meio de frenagem regenerativa ou recarga rápida. Isso significa que a bateria deve lidar com altas densidades de corrente durante a recarga e frequências de corrente relativamente baixas durante a descarga. Os componentes da bateria, incluindo eletrodos, separador e eletrólitos, são extremamente importantes para a densidade de potência.
Vida útil da bateria é fundamental para otimizar aplicações e significativo quando segurança e confiabilidade estão envolvidas. Idealmente, a descarga, o uso e a falha da bateria devem ocorrer lentamente e em um processo controlado e transparente. A distribuição desigual da densidade de corrente e o controle inadequado dos ciclos de descarga e recarga, bem como o gerenciamento térmico, podem aumentar o desgaste e aumentar os riscos de falha. Os curtos-circuitos criados pela deposição de metal também podem diminuir a produtividade e aumentar o aquecimento descontrolado.
A capacidade operacional de um sistema de armazenamento de bateria de íons de lítio, por exemplo, é determinada pelo tipo de química de íons de lítio usada, combinada com o número de células de bateria no banco total de baterias. Há muitos fatores a serem considerados.
São necessárias tecnologias para monitoramento do estado de saúde para avaliar continuamente o estado do sistema de baterias e as chances de falha.
Custos para baterias diminuíram consideravelmente na última década. Um relatório publicado pela Bloomberg New Energy Finance (BNEF) no final do ano passado indicou que os preços das baterias caíram de US$ 1.100/kWh (US$ A1.609) desde 2010, e devem atingir perto da marca de US$ 100/kWh (US$ A146) até 2023. Esta é uma boa notícia para o mercado de veículos elétricos porque significa que os custos dos VE serão equivalentes aos dos veículos com motor de combustão interna.
De acordo com a Bloomberg, isso se deve em grande parte ao aumento do tamanho dos pedidos, mas também ao uso de cátodos de alta densidade energética e designs de embalagens aprimorados.
No entanto, os métodos de fabricação de baterias de alta potência ainda são relativamente elevados. Portanto, existe um potencial significativo em ganhos de produtividade através de processos de fabricação em larga escala dos elementos da bateria.
Sustentabilidade tornou-se um tópico crítico no design de novas baterias. Há pressão, particularmente, sobre a indústria de veículos elétricos para descobrir a reciclagem e evitar o desperdício desnecessário de baterias após a sua vida útil. Portanto, é importante que os fabricantes e os governos ofereçam um plano para mineração, reciclagem, produção e descarte de novos modelos de baterias sempre que possível.
