Baterias com 1300km de autonomia é meta ambiciosa por parte da Porsche, além da autonomia, quer que estas tenham tempos de carregamento abaixo de 15 minutos.
Baterias com 1300km de autonomia são o futuro?
Poucas dúvidas restam de que os carros elétricos são o futuro. Resultado disso, é a aposta das marcas automóveis no desenvolvimento dos componentes neste mercado. As baterias são um exemplo desse desenvolvimento contínuo, pois é delas que os carros elétricos dependem, a nível de autonomia, vida útil e influenciar o preço final do mesmo.
O mercado está dominado pelas baterias de iões de lítio, sendo estas cada vez mais perfeita, mas ainda há margem para se otimizarem. E nesse sentido, a Porsche, resolveu envolver-se em projetos para melhorar a capacidade de carregamento, segurança e vida útil, junto com o Grupo Cellforce e o Group14 Technologies.
Atualmente, o lítio puro é considerado o material ideal para o ânodo das baterias em termos de densidade energética, de acordo com Stefanie Edelberg, engenheira especialista em Baterias da Porsche Engineering. No entanto, devido a questões de segurança, os grafites é que são utilizados como materiais ativos no ânodo, capazes de absorver iões de lítio.
O que faz com que essas baterias tenham uma capacidade de carga muito alta e um preço relativamente baixo. Têm ainda uma longa vida útil, entre 1.500 e 3.000 ciclos de carga completa, mantendo pelo menos 80% da capacidade. Falko Schappacher, diretor comercial e técnico do Centro de Pesquisa de Baterias MEET da Universidade de Münster (WWU), prevê-se que as baterias dos carros possam durar até um milhão de quilómetros.
Opção de silício para o ânodo
Sendo a tecnologia de iões de lítio um sistema multicomponente este permite várias adaptações.
Um dos componentes que pode ser otimizado é o ânodo, substituindo o grafite, que é atualmente utilizado como material ativo, pelo silício, que permite uma capacidade de armazenamento dez vezes superior. “Os ânodos de silício aumentariam significativamente a capacidade total da bateria de iões de lítio”, diz Schappacher.
Enquanto Edelberg enumera as suas vantagens: “O silício é interessante, pois permite-nos ter células com densidades de energia muito elevadas. Além disso, é o segundo elemento mais comum na crosta terrestre”. Resumindo… estaríamos perante células com uma grande capacidade de carregamento rápido, podendo ir dos 5% aos 80% em menos de 15 minutos.
Mas há uma desvantagem, ao se optar pelo uso de silício, a vida útil da bateria pode ser reduzida. A parceria entre a Cellforce e a Porsche, desenvolver ânodos com uma proporção muito elevada de silício, até 80%, para reduzir os efeitos prejudiciais sobre a bateria.
Opção de níquel para o cátodo
Outro componente em que estão a trabalhar é nos materiais ativos para o cátodo. Sendo importante a combinação entre uma alta capacidade de carga e um elevado potencial eletroquímico do material.
Atualmente, na mobilidade elétrica na Europa, é mais usado o óxido de lítio-níquel-cobalto-manganês (NCM) na proporção de 6:2:2 (níquel, cobalto e manganês, respetivamente). No futuro, prevê-se que a proporção de níquel aumente, enquanto o cobalto e o manganês sejam usados em menor quantidade. Esse aumento de níquel pode possibilitar uma maior capacidade de carga.
O separador é outro elemento com potencial de otimização. Consiste em finas lâminas (10 a 20 micrómetros), na maioria das vezes feitas de polietileno ou polipropileno.
Este separador economiza espaço e peso. E segundo Edelberg “pode contribuir indiretamente para o conteúdo energético de uma célula de bateria. Quanto mais fino for, mais camadas ou bobinas de elétrodos cabem numa célula. Isso aumenta a sua capacidade e conteúdo energético”.
Baterias sólidas compactas
As baterias sólidas são outra possibilidade. Necessitam de muito menos espaço de instalação do que as baterias de iões de lítio convencionais. “O plano passa por substituir o separador clássico por uma fina camada de eletrólitos sólidos. O eletrólito sólido atua como eletrólito e separador num só elemento”, diz Edelberg.
Ao eliminar as soluções eletrolíticas e utilizar, ao mesmo tempo, ânodos de lítio metálico, os investigadores esperam conseguir um aumento na densidade energética de até 50%, além de possíveis tempos de carga significativamente mais rápidos e uma baixa inflamabilidade do eletrólito sólido.
Ao se comparar com outros estudos, como as baterias de lítio-ar, Schappacher considera que as baterias de lítio de estado sólido serão “uma alternativa séria às baterias de iões de lítio”.
As baterias de iões de sódio são interessantes em aplicações de armazenamento local devido à sua menor densidade energética. A tecnologia de lítio-ar ainda tem muitos desafios e, como as coisas estão atualmente, não se esperam muitas vantagens. “No presente e também no futuro próximo, as baterias de lítio-ar vão continuar a ser investigadas e desenvolvidas”, afirma Edelberg.
Embalamento e design das células nas baterias
A otimização das baterias não se resume apenas à química no seu interior. Também os sensores e o embalamento das células nas baterias podem ter outras possibilidades.
Por exemplo, os níveis de carga da bateria podem ser detetados com maior precisão e rapidez através de sensores colocados nas células, o que vai reduzir o tempo de carga para determinados níveis de voltagem. O que vai possibilitar o arrefecimento das células com maior precisão, favorecendo a longevidade das baterias.
No futuro, o embalamento e o design das células também terão um papel importante na produção de baterias mais potentes.
A tecnologia “célula embalada”, por exemplo, integra diretamente as células na bateria, eliminando as peças pequenas das baterias atuais, segundo o professor Maximilian Fichtner, diretor do Instituto Helmholtz de Ulm (HIU) e chefe da Unidade de Pesquisa em Sistemas de Armazenamento de Energia do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT).
“Em vez de se ligarem individualmente células do tamanho de uma barra de chocolate, passamos a ter células de até 1,20 metros de comprimento encapsuladas estreitamente quando instaladas transversalmente em um suporte, semelhante a uma base de cama”, destaca Fichtner.
Acabamos por ter uma maior capacidade de armazenamento e melhor arrefecimento com menos espaço.
Baterias com 1300km de autonomia
Com todos os desenvolvimentos tecnológicos apresentados acima, espera-se que com a nova química de ânodo e embalamento das células, possamos vir a ter a curto prazo autonomias nos carros elétricos de até 1300km!
Schappacher também está otimista relativamente às baterias sólidas, embora seja difícil prever o impacto dos avanços tecnológicos. “Acredito que no futuro veremos aumentos entre 30% a 50% na autonomia dos veículos premium”, espera o especialista.
Mas o mais importante, nas palavras de Schappacher: “mais importante do que o simples aumento da autonomia é a capacidade de carregamento rápido“. Sendo que acredita que em breve o carregamento rápido até 80% da autonomia do veículo não levará muito mais tempo do que uma simples paragem para abastecer o carro (equivalente aos combustíveis fósseis).
Temos como exemplo o Porsche Taycan, “em que foi possível alcançar um tempo de 22,5 minutos para carregar dos 5% aos 80%”, explica Markus Gräf, diretor de Operações do Grupo Cellforce. “Com o silício como material do ânodo, pode-se alcançar valores inferiores a 15 minutos a médio prazo e substancialmente inferiores a longo prazo”.
Com baterias de iões de lítio otimizadas e novas tecnologias como as baterias de estado sólido, os sistemas de armazenamento de energia elétrica vão passar a ser muito mais eficientes nos próximos anos, tornando a mobilidade elétrica ainda mais atraente.
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