A indústria automobilística está no meio de uma revolução, possivelmente atrás da primeira produção em massa do Modelo T. Os veículos elétricos estão sendo anunciados e lançados por praticamente todos os fabricantes de automóveis em todo o mundo. E embora ainda demore algum tempo até que a maioria dos veículos na estrada sejam EVs, há avanços monumentais sendo feitos na tecnologia de baterias EV.
Principais lições
- As baterias de estado sólido são o avanço mais aguardado a curto prazo — elas prometem maior densidade de energia, carregamento mais rápido e segurança aprimorada em comparação com a química convencional de íons de lítio.
- As baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP) estão ganhando participação de mercado devido à sua estabilidade térmica e longa vida útil, mesmo com menor densidade de energia.
- As baterias de íon-sódio estão surgindo como uma alternativa de menor custo para veículos elétricos de entrada e armazenamento estacionário, onde a densidade de energia é menos crítica.
- Os sistemas de gerenciamento de baterias (BMS) estão evoluindo juntamente com a química das células para otimizar o carregamento, a regulação térmica e o monitoramento do estado de saúde (SoH) em tempo real.
- Os técnicos de manutenção devem monitorar as alterações na composição química das baterias de veículos elétricos, pois os procedimentos de diagnóstico e os requisitos de segurança variam de acordo com o tipo de bateria.
- As ferramentas de diagnóstico xEV da Midtronics foram projetadas para se adaptarem às arquiteturas de baterias de veículos elétricos em constante evolução, auxiliando as oficinas de serviço à medida que o cenário tecnológico se transforma.
Mais da metade dos potenciais compradores de carros dizem que a ansiedade em relação à autonomia é um obstáculo para a compra de um veículo elétrico. Seja devido às limitações de capacidade ou ao tempo necessário para recarregar a bateria, construir e integrar baterias melhores será absolutamente crucial na próxima década.
É aqui que está a tecnologia atual de baterias EV e o que você poderá ver até o final da década.
Baterias de íon de lítio
A esmagadora maioria dos EVs é construída com baterias de íons de lítio. Este tipo de bateria é encontrado nos EVs mais vendidos no mercado atualmente e também deverá estar nos modelos que serão lançados nos próximos anos. Geralmente, as baterias de íon-lítio oferecem alta densidade de energia e são leves em comparação com a tecnologia mais antiga, além de serem seguras para carregar. Eles têm uma baixa taxa de descarga e fornecem energia consistente durante toda a descarga.
No entanto, as baterias de íon-lítio não são isentas de falhas. Apesar de terem menos da metade do peso das baterias de chumbo-ácido, elas são bastante pesadas quando são consideradas necessidades de longo alcance. O carregamento também é comparativamente rápido, mas ainda leva muito mais tempo do que reabastecer um veículo ICE.
Talvez a preocupação mais prevalente para a tecnologia de íons de lítio esteja em seus materiais. Esteja você olhando para os designs mais comuns de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC), óxido de lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA), óxido de lítio-manganês (LMO) ou fosfato de ferro-lítio (LFP), todos eles usam metais de terras raras. Embora seja difícil dizer com certeza, o fornecimento destes materiais raros e controversos parece insustentável.
Para as baterias de íon-lítio atuais, cada composição tem pontos fortes e fracos.
- As baterias NMC têm comparações moderadas de desempenho, energia e custos, mas sua estabilidade térmica fica aquém de outras opções.
- As baterias NCA tendem a ser mais caras e produzem excelentes resultados para energia e potência específicas, mas são mais voláteis.
- As baterias LMO estão entre as mais econômicas do mercado atualmente e são medianas em termos de capacidade energética, mas têm o desempenho e a vida útil mais baixos.
- As baterias LFP dominam devido à sua estabilidade térmica, segurança, custo e vida útil, mas sua energia e potência específicas estão abaixo da média.
Baterias de hidreto metálico de níquel
Para veículos híbridos-elétricos, a tecnologia de níquel-hidreto metálico (NiMH) tem sido a solução mais escolhida. Montadoras como a Toyota utilizam baterias NiMH em híbridos desde o final da década de 1990, e desenvolvimentos recentes, como as baterias NiMH bipolares , continuam a manter a tecnologia bastante relevante. Elas custam cerca de metade do preço das baterias de íon-lítio do mesmo tamanho.
Assim como a tecnologia de íons de lítio, as baterias NiMH usam materiais de terras raras, como cobalto e lantânio, e altos níveis de níquel. Assim, as preocupações ambientais também abundam para estas baterias.
As baterias NiMH são utilizadas para aplicações com menor demanda, por isso os híbridos as utilizam. Além disso, eles têm níveis mais altos de autodescarga e podem perder capacidade se forem sobrecarregados, mas isso é anulado pela moderação do nível e da taxa de carga. O carregamento mais lento é melhor para baterias NiMH e é uma das razões pelas quais os EVs completos de maior alcance não adotam esta tecnologia.
Baterias de estado sólido
Talvez o desenvolvimento mais promissor para veículos elétricos sejam as baterias de estado sólido . Elas são muito parecidas com as baterias de íon-lítio, mas em vez de utilizarem um eletrólito líquido para transportar a energia de um eletrodo para o outro, isso é feito por meio de um material sólido com densidade energética muito maior. As montadoras estão investindo centenas de milhões de dólares em baterias de estado sólido, pois elas reduzirão significativamente o tamanho e o peso das baterias, além de torná-las mais estáveis.
Como as baterias de estado sólido são mais densas em energia, elas podem recarregar em uma fração do tempo de uma bateria de íon-lítio com eletrólito líquido. Outro grande benefício é a longevidade; onde uma bateria de íons de lítio se degrada visivelmente após 1,000 ciclos de carregamento, diz-se que as baterias de estado sólido “mantêm 90% de sua capacidade após 5,000 ciclos”.
Ainda há um longo caminho a percorrer até que as baterias de estado sólido estejam prontas para o mercado, especialmente na área de redução de custos de produção. Há promessas de que isso será possível nos próximos anos.
Baterias de ânodo de silício
O grafite é amplamente utilizado em baterias EV, mas tem limitações de capacidade. Os desenvolvedores estão trabalhando em projetos que substituam o grafite no ânodo por micropartículas de silício mesoporosas e nanotubos de carbono. O silício tem cerca de dez vezes a capacidade do grafite, e implementá-lo como elemento-chave nas células da bateria poderia melhorar enormemente o alcance e o tempo de carregamento.
Um dos maiores benefícios das baterias de ânodo de silício é a redução da dependência do grafite, substituída por um produto refinado a partir de cinza de casca de cevada. É um passo para reduzir a dependência da mineração de terras raras.
Baterias EV sem cobalto
Indiscutivelmente o material mais controverso usado em baterias de íon-lítio para veículos elétricos devido às práticas de mineração no Congo, onde é mais prevalente, o cobalto é muito utilizado na fabricação de baterias. Projetos futuros de baterias de íon-lítio poderiam eliminar o cobalto no cátodo. Como o cobalto é tão raro e caro, eliminá-lo ajudará a reduzir o preço para melhores taxas de adoção de VE.
Em vez de cobalto, os desenvolvedores têm trabalhado com 89% de níquel, bem como alumínio e manganês prontamente disponíveis para o cátodo. É supostamente mais denso em energia do que uma bateria de íon de lítio típica e também pode atingir alcances mais longos com uma única carga.
Eletrodos de nanotubos de carbono
O carbono cristalizado em um padrão hexagonal é conhecido como grafeno e é uma única camada de átomos. Os desenvolvedores de baterias da NAWA Technologies conseguiram criar nanotubos de carbono a partir de grafeno para uso como eletrodos em baterias de veículos elétricos. Os tubos de grafeno são alinhados verticalmente para o eletrodo e são extremamente condutivos, criando eletrodos de carbono ultrarrápidos que poderão ser usados nos próximos anos.
Os benefícios dos eletrodos de nanotubos de carbono são enormes. Além de dez vezes a capacidade energética, eles podem ser recarregados com extrema rapidez. A NAWA afirma que uma bateria pode ser recarregada 80% em apenas cinco minutos. E como o grafeno pode ser produzido em massa de forma barata, ele pode reduzir substancialmente os custos da bateria.
Resumo
As baterias de íons de lítio atuais podem percorrer centenas de quilômetros com uma única carga e durar anos em um EV. A tecnologia do futuro será capaz de recarregar muito mais rapidamente e armazenar maiores capacidades de energia, tudo numa bateria mais leve e mais pequena.
Perguntas frequentes
O que é uma bateria de estado sólido e quando estará disponível?
As baterias de estado sólido substituem o eletrólito líquido das células de íon-lítio convencionais por um material sólido, melhorando a densidade de energia e a segurança. Diversas montadoras anunciaram metas para veículos elétricos com baterias de estado sólido no final da década de 2020, embora a produção em larga escala ainda represente um desafio. Os protocolos de manutenção para baterias de estado sólido serão diferentes dos atuais para baterias com eletrólito líquido.
Qual a diferença entre a química das baterias LFP e a química das baterias NMC?
As células de fosfato de ferro-lítio (LFP) são mais estáveis termicamente, têm uma vida útil mais longa e são mais baratas de produzir — mas oferecem menor densidade de energia do que as células de níquel-manganês-cobalto (NMC). As células LFP são cada vez mais comuns em veículos elétricos básicos e veículos comerciais.
O que é uma bateria de íon-sódio?
As baterias de íon-sódio utilizam sódio em vez de lítio como meio de transporte de carga. São mais baratas de produzir e mais adequadas para climas frios, mas atualmente oferecem menor densidade de energia do que as baterias com tecnologia à base de lítio. Estão começando a aparecer em modelos de veículos elétricos de baixo custo, principalmente em mercados asiáticos.
Como a composição química da bateria afeta o diagnóstico de veículos elétricos?
Diferentes composições químicas apresentam curvas de carga, faixas de tensão e perfis térmicos distintos. As ferramentas de diagnóstico devem levar em conta essas diferenças ao avaliar o estado de saúde (SoH). Ferramentas como o Midtronics xHVS-3000 são projetadas para funcionar em diversas arquiteturas de baterias de veículos elétricos.
As baterias de veículos elétricos do futuro exigirão novos procedimentos de manutenção?
Sim. À medida que as tecnologias de estado sólido e outras químicas inovadoras entram em cena, os técnicos precisarão de treinamento, ferramentas e protocolos de segurança atualizados. Manter-se atualizado com as normas SAE e a documentação de serviço dos fabricantes de equipamentos originais (OEMs) é a melhor maneira de se preparar.
O que as lojas devem fazer agora para se preparar para a próxima geração de baterias para veículos elétricos?
Invista em equipamentos de diagnóstico adaptáveis, assegure-se de que os técnicos sejam certificados para alta tensão e acompanhe os boletins de serviço do fabricante para obter orientações específicas sobre a química dos produtos químicos. O hub de soluções para veículos elétricos da Midtronics é um ponto de partida útil para oficinas que estão expandindo sua capacidade de atendimento a veículos elétricos.