Apesar de inicialmente terem um preço mais elevado, os veículos eléctricos (VE) tendem a oferecer poupanças significativas ao longo do tempo. Deixando de lado os benefícios ambientais, que são dignos de nota, os VE normalmente custam metade do preço de manutenção e reparação dos veículos movidos a gás – e a sua popularidade está a crescer.
Ao contrário dos veículos convencionais, os EVs não possuem motores de combustão interna (IC). Em vez de gasolina, eles funcionam exclusivamente com bateria. Para alguns motoristas, a preocupação era que isso significava falta de torque decente. No entanto, esse não é mais o caso, e muitos veículos elétricos apresentam potência e torque semelhantes aos de um motor IC médio.
Além do mais, a duração da bateria está ganhando longevidade. A maioria deverá durar de cinco a oito anos. A bateria é o coração dos EVs.
Baterias
A tecnologia de baterias para veículos elétricos desenvolveu-se desde as primeiras baterias de chumbo-ácido usadas no final do século 19, até cerca de 2010, até baterias de íon-lítio. As baterias de lítio (Li-on), a mesma tecnologia que alimenta os nossos smartphones e tablets, são encontradas atualmente na maioria dos veículos elétricos.
As baterias Li-on têm sido revolucionárias desde a sua criação no início dos anos 90, oferecendo elevados níveis de carga em comparação com outras tecnologias. Eles também são leves, tolerantes à temperatura, carregamento rápido e oferecem vida útil e prazo de validade decentes.
Em termos de EVs, seis tecnologias de baterias de íons de lítio são populares entre os fabricantes. Vamos explorar todos esses produtos químicos da bateria.
Por que baterias de íon-lítio?
As baterias de íon-lítio oferecem uma alta densidade de energia que lhes permite armazenar uma grande quantidade de energia em um espaço pequeno, tornando-as a escolha mais popular para a maioria dos veículos elétricos. Essas baterias também fornecem uma alta relação potência/peso, o que significa que são mais leves e normalmente mais eficientes do que outros tipos.
Talvez o mais importante seja que as baterias de íon-lítio são mais seguras do que as alternativas, proporcionando bom desempenho em altas temperaturas. Eles oferecem alta eficiência com baixa autodescarga.
Uma bateria de íons de lítio é composta por várias células de lítio. As células são dispostas em série e paralelas à tensão e capacidade de corrente desejadas. Por exemplo, se uma bateria de 12,8 V 125 AH incluir células de íons de lítio de 3,2 V 25 AH, 4S5P é a configuração necessária. Isso significa que cinco células são conectadas em paralelo para uma saída de 125 AH em cada pacote master, e quatro pacotes master são conectados em série para 12,8V.
Em um carro elétrico, centenas de células de íons de lítio são usadas para construir a bateria. No Tesla Model S 444 Panasonic, as células NCR18650B são conectadas em uma configuração 6S74P.
O Leão a célula é o alicerce de uma bateria. Essas células vêm em formatos cilíndricos, prismáticos e de bolsa usados para construir baterias EV pela Tesla e Panasonic. A maioria dos outros fabricantes usa células em bolsa ou planas. Células prismáticas também são utilizadas, mas por poucos fabricantes. Os principais componentes de uma célula de íon de lítio são o cátodo, o ânodo, o eletrólito e o separador.
• O cátodo é o carro-chefe de uma bateria de lítio e o material ativo de um óxido metálico de lítio. O lítio é altamente reativo, por isso é misturado com oxigênio e metal para estabilidade. O metal usado determina a saída de tensão da bateria. A capacidade atual da bateria é determinada pelo tamanho do cátodo. Uma bateria com cátodo maior possui maior armazenamento de carga. As baterias Li-on têm o nome do óxido metálico de lítio usado como cátodo.
• O ânodo é o segundo eletrodo da bateria, responsável por armazenar os íons de lítio que carregam a bateria. A capacidade atual da bateria é determinada pela área de superfície do ânodo, que deve ter alta porosidade e condutividade para funcionar de forma eficaz. A tensão do ânodo deve corresponder à do cátodo e a área de superfície do ânodo é maximizada para criar uma corrente mais alta.
Normalmente, folhas de cobre revestidas com grafite são usadas como ânodos em baterias de lítio porque o grafite corresponde à tensão. Normalmente, carbono amorfo, grafite sintética e grafite natural são usados como materiais anódicos à base de carbono. Às vezes, os fabricantes adicionam silício ao carbono para aumentar a densidade de energia da bateria. Outro material às vezes usado é o óxido de lítio e titânio, conhecido por sua durabilidade e estabilidade térmica.
• O eletrólito é uma solução eletricamente neutra na qual ambos os eletrodos estão submersos. Embora o eletrólito não seja reativo, ele atua como um catalisador que torna a bateria condutora durante o carregamento ou descarregamento. Facilita a movimentação de íons em ambos os processos.
Quando uma bateria de íons de lítio é carregada, os íons fluem do cátodo para o ânodo através de um eletrólito. Quando a bateria descarrega, esse fluxo de íons passa do ânodo para o cátodo novamente através de um eletrólito. Os ânions e cátions se movem em direções opostas durante a carga e a descarga, mas somente quando há uma diferença entre o cátodo e o ânodo. O sal de lítio é usado como eletrólito em baterias de íon-lítio, como o LiPF6 em um solvente orgânico.
• O separador é usado para isolar o cátodo e o ânodo. Quando há uma diferença aplicada entre os dois, os íons fluem através do eletrólito entre eles. Essa diferença de potencial também força os elétrons a se moverem do ânodo para o cátodo. O separador é responsável por bloquear os elétrons, permitindo apenas que os íons se movam através do eletrólito. O separador é coberto com eletrólito para permitir o movimento dos íons.
O separador também atua como fusível para a bateria. Mas pode ficar entupido devido ao derretimento por superaquecimento. Se isso acontecer, o fluxo de corrente entre o cátodo e o ânodo será interrompido antes que a bateria pegue fogo. As baterias de íon-lítio usam poliolefina como separador. Em baterias grandes, é usado um separador de três camadas.
As placas condutoras coletam a corrente entre o cátodo e o ânodo da bateria. Uma placa de cobre é usada como coletor de corrente no ânodo. Uma placa de alumínio é usada como coletor de corrente no cátodo.
Tipos de baterias de íon-lítio
As baterias de íon-lítio são classificadas por seu cátodo e usam um ânodo de grafite. A única exceção é o titanato de lítio (LTO). O uso ou consideração de diferentes materiais catódicos representa um esforço para maximizar a densidade de energia. Por exemplo, os pesquisadores estão atualmente avaliando o uso do metal lítio como material anódico e substituindo o uso do sal de lítio como eletrólito por um eletrólito de estado sólido.
Mas, por enquanto, as baterias de íon-lítio diferem apenas no material do cátodo e usam os mesmos materiais de ânodo e eletrólito. Aqui estão os seis principais produtos químicos para baterias de íons de lítio usados na indústria de EV.
1. Óxido de Lítio-Cobalto (LCO)
2. Óxido de Lítio Manganês (OML)
3. Fosfato de Lítio e Ferro (LFP)
4. Óxido de lítio-níquel-cobalto-manganês (NCM)
5. Óxido de alumínio e níquel-lítio-cobalto (NCA)
6. Titanato de Lítio (LTO)
Óxido de Lítio-Cobalto ou baterias baseadas em LCO foram as primeiras baterias Li-on em produção comercial. Inventadas em 1991, as baterias Li-on baseadas em CO rapidamente ganharam popularidade na eletrônica de consumo devido à sua alta densidade de energia (150~200 Wh/Kg). No entanto, a desvantagem dessas baterias é que elas têm baixa estabilidade térmica e são propensas ao superaquecimento. Isso significa que eles apresentam risco de incêndio em altas temperaturas ou se estiverem sobrecarregados.
Óxido de Lítio Manganês ou baterias baseadas em LMO foram lançadas pela primeira vez em meados dos anos 90 como uma alternativa aos LCOs, oferecendo menor resistência interna. As baterias de lítio baseadas em LMO eram importantes porque ofereciam maior estabilidade térmica e menor risco de superaquecimento. E mais: entregavam correntes mais altas, variando de 20 a 30 Amperes. Níveis de corrente mais altos também significam carga e descarga mais rápidas.
Essas baterias rapidamente se tornaram a melhor escolha para ferramentas elétricas, bancos de energia e, eventualmente, EVs. A taxa C para LMOs é 2/5 em comparação com 2/3 para baterias LCO. Isso significa que se uma bateria baseada em LMO levar duas horas para carregar totalmente, levará cinco horas para descarregar. Mas há uma desvantagem que elas têm em comum com as baterias baseadas em LCO: o baixo ciclo de vida (de 500 a 700). Portanto, nenhuma das opções é ideal para aplicações de longo prazo.
Fosfato de Ferro Lítio ou baterias baseadas em LFP foram lançadas como um meio de resolver o baixo ciclo de vida das opções baseadas em LCO e LMO. Os químicos estavam determinados a encontrar uma solução melhor, e encontraram uma em 1996. Os LFPs oferecem uma densidade de energia mais baixa (90~160 Wh/Kg), mas um ciclo de vida de 4000. As taxas C podem ser 2/5, o mesmo como as baterias baseadas em LMO – ou superior e 2/30. As baterias baseadas em LFP têm alta estabilidade térmica e podem suportar facilmente distúrbios mecânicos. A única desvantagem é que sua tensão nominal é limitada a 3,2V. Mas devido ao seu alto ciclo de vida, baixo custo, confiabilidade e estabilidade térmica, as LFPs foram rapidamente adotadas como as baterias Li-on preferidas pela indústria automotiva. Eles ainda são usados em e-riquixás, bicicletas elétricas e diversas ferramentas elétricas.
Óxido de lítio-níquel-cobalto-manganês ou baterias baseadas em NCM compreendem 60% de níquel, 20% de cobalto e 20% de manganês como materiais ativos no cátodo. Esta química de bateria foi inventada em 2001, oferecendo uma das mais altas densidades de energia disponíveis para íons de lítio (150~220 Wh/Kg). Essas baterias oferecem boa estabilidade térmica, alta tensão nominal (3,7 V) e um ciclo de vida decente (2000 com taxa C de 1/3).
Além disso, a densidade de energia e o fornecimento de energia dessas baterias podem ser ajustados alterando a proporção de níquel, cobalto e manganês no material ativo permitido. Os íons de lítio baseados em NCM rapidamente se tornaram a escolha preferida para carros elétricos e são amplamente utilizados em equipamentos médicos e ferramentas elétricas.
Titanato de Lítio ou baterias baseadas em LTO fizeram sua estreia em 2012, apresentada pela YABO Power Technology. Baseados na nanotecnologia, os LTOs possuem um ânodo de titanato de lítio em vez de grafite. O titanato de lítio oferece uma área de superfície maior, permitindo uma alta taxa de carga e descarga. A taxa C dessas baterias é 10/30, portanto, uma vez totalmente carregada, a bateria pode durar até 30 horas. As baterias baseadas em LTO oferecem o maior ciclo de vida (30.000) de todas as baterias Li-on. Sua desvantagem inclui baixa densidade de energia (50~80 Wh/Kg) e baixa tensão nominal (2,4V). Apesar dos fatos, vários fabricantes automotivos consideraram os LTOs devido ao seu alto ciclo de vida e à lenta taxa de descarga. Estas baterias já são utilizadas para armazenar energia renovável.
Química de íons de lítio em automóveis
As baterias Li-on baseadas em NCA, NCM, LCO e LMO têm uma tensão nominal de 3,6/3,7 V, enquanto as LTOs oferecem a tensão nominal mais baixa de 2,4 V. LTOs também têm a densidade de energia mais baixa de 50~80 Wh/Kg. Mas as baterias LTOs fornecem o ciclo de vida mais alto de 30.000 com uma taxa de descarga de 30 horas.
As baterias baseadas em LTO são amplamente utilizadas para armazenar energia renovável. Porém, devido ao tempo de carregamento de até 10 horas, alto custo e baixa densidade de energia e tensão nominal, sua aplicação em VEs é questionável. A química da bateria baseada em LCO está bastante desatualizada. Mesmo os OVMs têm apenas 1% de utilização na indústria automotiva.
Os NCAs oferecem a maior densidade de energia, mas devido ao baixo ciclo de vida de 1.000, não são amplamente utilizados em veículos elétricos. Os LFPs representam quase um quarto da utilização na indústria de VE devido ao seu elevado ciclo de vida de 4000 e uma taxa C de 2/30. Isso significa que um EV com bateria Li-on baseada em LFP que é carregada apenas por duas horas pode funcionar por cerca de 30 horas. Com um ciclo de vida de 4.000, mesmo que o EV seja carregado diariamente, a bateria pode ter garantia de pelo menos cinco a oito anos.
Atualmente, as NCMs são as baterias Li-on mais utilizadas em veículos elétricos, com 60% do mercado. Essas baterias têm metade do ciclo de vida dos LFPs, mas quase o dobro da densidade de energia de 220 Wh/Kg (em comparação com apenas 120 Wh/Kg). A maior densidade de energia suporta uma maior relação potência-peso nos VEs. Além disso, a taxa C dos NCMs é 1/3. A química da bateria do NCM também apresenta alta estabilidade térmica e mecânica, por isso fazem sentido como a melhor escolha para EVs no mercado atual.
