Caro leitor ou leitora,
A Porsche AG divulgou nesta sexta-feira (28) informação sobre baterias de carros elétricos que julguei oportuno compartilhar. É mais do que sabido que a dificuldade do carro elétrico não está na sua propulsão, mas na energia elétrica para movimentá-lo armazenada a bordo.
Esta artigo divulgado pela Porsche traz à luz a questão das baterias, tanto presente quanto futuro, de maneira bem lúcida.
Boa leitura!
Bob Sharp
EM BUSCA DA BATERIA PERFEITA
As baterias modernas já proporcionam alcances longos e tempos de carga convenientes. Contudo, pesquisadores estão trabalhando em sistemas de armazenamento de energia ainda melhores. A Porsche Engineering estuda o atual estado da comprovada tecnologia de íons de lítio, e também novas soluções.
Jornalistas da revista Auto Bild que testam veículos ficaram impressionados. Em cerca de 22 minutos carregaram em 80% a bateria quase totalmente descarregada de um Porsche Taycan. Um recorde quase obrigatório neste segmento, uma vez que motoristas que gostam de acelerar não são os que gostam de ficar parados muito tempo esperando a bateria ser carregada. “Para a Porsche, alto desempenho de recarga é fundamental,” diz a Dra. Stefanie Edelberg, engenheira do time de engenharia da Porsche. “Acelerar descarrega a bateria mais rapidamente e o cliente não quer esperar uma hora para recarregá-la.”
Isso acabou. “A tecnologia de baterias para carros elétricos tem funcionado bem na prática, tanto em termos de velocidade de carga quanto em vida útil,” diz Dirk Uwe Sauer, Professor de Conversão de Energia Eletroquímica e Tecnologia de Sistemas de Armazenamento da Universidade da Aachen da Escola Técnica Superior da Renânia-Westfália.
“Contudo, várias propriedades opostas não pode ser combinadas. Não se pode ter tudo de uma vez.“ Carga ultrarrápida combinada com alta densidade de energia? Isto não é possível porque a vida útil seria afetada com essa combinação. Assim, Sauer é cético quanto a reportagens na mídia sobre supostas baterias miraculosas, porque geralmente um único parâmetro é otimizado à custa de outros. “Não haverá uma bateria que faça tudo,” diz.
Bateria de Íons de lítio: alta densidade de energia
Sistemas de armazenagem de energia para veículos elétricos.estão cada vez mais eficazes, mas as de íons de lítio permanecem como a melhor tecnologia para o futuro previsível. Isto se deve à alta densidade do lítio e à alta densidade das baterias que torna possível acumular uma quantidade relativamente grande de energia em pequeno espaço. As baterias de íons de lítio apresentam também boa armazenabilidade e robustez, o que lhes permite aguentar cerca de 2.000 ciclos de carga num carro exclusivamente elétrico antes de perderem sua utilidade.
Contudo, os desenvolvedores acreditam que elas podem durar bem mais. Além disso, as baterias de íons de lítio não têm o efeito-memória próprio das baterias de níquel-cádmio. Em caso de descargas parciais frequentes elas “lembram” a demanda de energia típica e ajustam sua capacidade para tanto.
Além disso, a tecnologia de íons de lítio ainda oferece um mundo de oportunidades para desenvolvimento em termos de química e projeto da bateria. A densidade de energia, por exemplo, pode se beneficiar disso: segundo pesquisadores do Instituto Fraunhofer para Pesquisa de Sistemas e Inovações (ISI), a densidade de energia quase dobrou nos últimos dez anos nas grandes baterias para carros elétricos — para uma energia específica média de 250 W·h/kg (ou 500 W·h/L de densidade de energia). Até 2030 a densidade de energia poderá dobrar.
Outras propriedades das baterias de íons de lítio podem também melhorar ainda mais. “Os maiores desafios são recarga rápida e segurança,” diz o Prof. Dr. Stefano Passarini, diretor do Grupo de Pesquisa de Eletroquímica da Bateria do Helmholtz Institute, de Ulm, Alemanha. “Uma recarga rápida de 80% em 15 minutos tornaria os carros elétricos ainda mais atraentes. Todavia, os requisitos de segurança também aumentam com a recarga rápida.”
A capacidade e o desempenho da bateria diminui a cada recarga rápida excessiva
Recarga rápida é um desafio porque os átomos de lítio migram para cristais de carbono do eletrodo durante a operação. Ao se descarregar, eles são recuperados de lá. “Quanto mais rapidamente a bateria for carregada, maior o risco dos condutores de carga aderirem à superfície dos cristais, formando uma camada metálica, desse modo danificando a bateria,” explica Sauer. Assim, capacidade e energia diminuem a cada carga rápida. Em casos extremos pode haver curto-circuito. “Infelizmente, não é fácil dizer o que significa exatamente “rápido demais”, diz Sauer. “Pesquisa intensiva sobre a maneiras de detectar isso no laboratório, e no próprio veículo, está em andamento em muitos lugares.”
Carga e descarga de uma bateria de íons de lítio: nessas baterias o eletrodo negativo (geralmente de grafite) e o eletrodo positivo (geralmente feito de uma camada de óxido de metal de transição) são divididos por um separador. Íons com carga positiva podem passar livremente através dele em ambas as direções. Na descarga, os elétrons fluem do anodo via um circuito externo ao catodo, ao mesmo tempo que, simultaneamente, íons com carga positiva também atravessam o separador migram para a estrutura do catodo. Durante a carga, a tensão externa leva os íons de lítio de volta em direção do eletrodo negativo. O lítio é particularmente adequado para baterias por ser o metal mais leve da tabela periódica e ser bastante dado a liberar um de seus três elétrons. Ao mesmo tempo, sua alta reatividade resulta também em átomos de lítio formando facilmente uniões químicas. Para evitar isso, eles têm que estar protegidos da água e do ar no interior da bateria.
Outras barreiras tecnológicas também aguardam os desenvolvedores. Tomadas, cabos e a infraestrutura do veículo precisam também ser projetados para correntes elevadas. A palavra de ordem aqui é “ampères pesam”. Em outras palavras, correntes elevadas exigem grossos cabos e consequentemente, peso. Todavia, isso pode ser compensado por meio de um sistema elétrico de tensão mais alta. É a razão de o Porsche Taycan ter um sistema elétrico de 800 volts em vez do mais comum de 400 volts.
De maneira a comparar tempos de recarga de carros elétricos com baterias de diferentes capacidades, a taxa-C (C de “capacidade”) é uma métrica útil. Ela indica a taxa da corrente de carga ou descarga de uma bateria eletroquímica em ampères (A) em relação à capacidade da bateria em ampères·hora. O valor de 1 significa recarga completa em uma hora. 2 é para meia hora, 3 para 20 minutos.
Os desenvolvedores estão perseguindo uma taxa-C de 10, que significa cerca de seis minutos para recarga — tempo semelhante a um reabastecimento de combustível. Ainda estamos bem longe disso hoje.mas no projeto de pesquisa CargaRápida, a Siemens, Phoenix Contact E-Mobility, e a Porsche, entre outros, estão trabalhando em aumentar o sistema de suprimento de energia para carros elétricos. O consórcio industrial já fez grande progresso. Um carro de pesquisa da Porsche com uma bateria de 90 kW·h chegou a uma capacidade de carga de 400 kW, possibilitando tempos de recarga de menos de 3 minutos para os primeiros 100 quilômetros de alcance. Um processo de recarga completo de 10% a 80% num eletroposto de carga ultrarrápida levou 15 minutos. Taxas-C de 4 a 5 são, assim, viáveis. “O fator decisivo para isso foi um inovador sistema de arrefecimento para a bateria, veículo e sistema de carga,” explica a Dra. Edelberg.
A bateria de estado sólido deverá trazer progresso em termos de recarga rápida e segurança. Neste caso, um polímero ou cerâmica é usado em vez de eletrólito líquido. Uma vez que nenhum líquido é usado, as baterias tornam-se mais compactas, o que permite sua densidade de energia aumentar significativamente.Ao mesmo tempo, as baterias estado-sólido são menos incendiáveis.
Alternativa leve: enxofre de lítio
Contudo, o lítio continuará a ser a base — bem como com outra variante, atualmente intensamente estudada: baterias de enxofre de lítio. Nesta, o catodo consiste de uma malha de enxofre que substitui completamente a estrutura de grade convencional de cobalto, manganês e níquel. Isso torna as baterias consideravelmente mais leves do que as convencionais. Mas por enquanto são bem mais caras, razão de virem a ser mais adequadas como opção para os futuros táxis voadores. Só que sua durabilidade ainda é considerada problemática.
Outras tecnologias para aumentar a densidade de energia que estão atualmente sendo pesquisadas e poderiam ser lançadas hoje ou nos anos adiante incluem materiais feitos de compósitos de silício-carbono, materiais de catodos ricos em níquel, ou materiais para altas tensões que permitam tensões de baterias cerca de 500 volts. “Pesquisas nessas ares já estão perto de aplicação prática,” diz Sauer. Contudo, muitas outras soluções, observou, ainda se encontram no campo de pesquisa básica, como íons de sódio em vez de íons de lítio ou combinações metal-oxigênio.
Capacidade de produção de baterias de íons de lítio: ainda que a China continue, de longe, a ser a maior produtora dessa baterias, a Europa, e a Alemanha em particular, estão chegando perto. No final da década, fábricas com capacidade de 413,5 GW·h e 173 GW·h, respectivamente, deverão começar a operar.
Sauer vê uma questão decisiva para as rotas de desenvolvimento: custo. “No final, o alcance de um veículo não é limitado pelo peso da bateria, mas por seu preço.” De acordo com consultores da Horváth & Partners, o preço de uma bateria de íons de lítio por kW·h caiu de 400 euros em 2013 para 107 euros em 2019, mas a queda de preço não continuará neste ritmo devido à crescente demanda. Isto se deve principalmente às matérias-primas: “Matérias-primas respondem por até 75% do custo de uma bateria,” diz Sauer.
Uma coisa é certa: na próxima década, as baterias de íons de lítio, com todas as suas melhorias, continuarão a ser a tecnologia dominante. “O progresso será evolucionário, não revolucionário,” afirma Sauer. “Não espero grandes passos adiante, uma vez que as leis da natureza já estão em xeque enquanto estamos conversando.’ O que não é necessariamente mau de todo: “As características deste tecnologia são boas demais para serem substituídas por outra. A eletromobilidade já está funcionando muito bem com o que as baterias podem entregar hoje e o potencial para mais desenvolvimento nos anos vindouros,” enfatizou Sauer.
Em resumo
Atualmente, as baterias de íons de lítio para carros elétricos oferecem alcance longo e tempos de recarga curtos.. Mas o desenvolvimento continua. Novas tecnologias como as baterias de estado sólido e novos materiais para os eletrodos podem aumentar ainda mais a densidade de energia no futuro e também reduzir também mais os tempos de recarga.
BS
