No mundo dos carros a combustão todo aficionado sabe o papel do motor, da transmissão e do tipo de combustível para obter por exemplo melhor desempenho, durabilidade ou economia de combustível. Com a chegada dos carros elétricos, os princípios físicos e químicos são os mesmos, mas nada é tão obvio especialmente porque o debate sobre o tema ainda é novo.
O tanque de combustível em veículos de passeio a combustão não tem muito protagonismo, talvez para aqueles que fazem trilhas um tanque grande de 120 litros de diesel seja importante, mas para por aí. Em uma roda de conversa, não iremos discutir do que o tanque é feito e nem da densidade energética ou composição química do combustível que está no tanque. Em veículos elétricos as baterias de tração têm mais protagonismo que o motor e a transmissão e é sobre isso que falaremos aqui nesse artigo.
O que conversaríamos em uma roda de entusiastas de veículos elétricos sobre o tema bateria? Muitas coisas, mas os seguintes temas abaixo serão cada vez mais frequentes.
- Vida útil e a durabilidade.
- Capacidade de aceitar uma carga rápida de por exemplo 350 kW por 10 minutos.
- Descarga rápida, vai ser como falar de turbos e blowers.
- Segurança, aparecerá no início, mas rapidamente vamos lembrar que carros a combustão eram infinitamente mais propensos a pegar fogo e ninguém noticiava o tema.
- Densidade energética e capacidade da bateria kWh.
- Redução da autonomia em climas extremante quentes como temperaturas de mais 50 ou menos 30.
Há muitos outros temas e a na medida que tomamos mais conhecimento sobre veículos elétricos, mais e mais assuntos farão parte não só dos entusiastas, mas de todos aqueles que usam carros de uma forma ou de outra.
A bateria tem cinco componentes principais: o cátodo também conhecido como polo positivo, a solução eletrolítica que poderá em breve ser sólida, o separador, o anodo também conhecidos como polo negativo e o revestimento/embalagem da célula ou pilha. Qual o papel de cada um dos cinco quesitos nos seis assuntos de roda de conversa? São 30 assuntos? Não, são muito mais pois eles de subdividem numa combinação de milhares de temas de forma que falaremos apenas de alguns deles. Quando se fala de química da bateria, entende-se polo positivo, ou cátodo, mas existem muitas outras químicas na bateria que influenciam esses assuntos de forma significativa, por exemplo a química do anodo que leva grafite e que gradativamente será substituído pelo silício por uma série de vantagens. Outro exemplo é o tão falado lítio do eletrólito líquido ou, sólido, responsável pela viagem dos elétrons do polo positivo para o negativo, mas hoje falaremos do cátodo e as principais químicas que são LFP, NCA, NCM e LFPS com enxofre.
1 – A vida útil da bateria talvez seja tema do fator de decisão de compra, mas hoje em dia a bateria dura muito mais do que a vida útil do veículo, além disso os fabricantes dão garantias enormes justamente para atrair os clientes. Há empresas que dão oito anos de garantia, eles garantem que após oito anos de uso ainda restará 70% da autonomia vendida inicialmente pelo fabricante. Ou seja, o veículo que poderia percorrer 400 km novo, após oito anos de uso, na pior das hipóteses, teria uma perda de menos de 30% ou 280 km. Qual a melhor química de produção em massa em 2024 para esse quesito? Entre NCM e NCA. Trata-se da LFP, fosfato de ferro lítio, onde o fosfato de ferro está presente no anodo ou polo positivo da bateria. A LFP tende a causar menos degradação no anodo da bateria ao longo do tempo, o que contribui para uma vida útil mais longa da bateria. Isso é atribuído à menor formação de dendritos de lítio e à menor probabilidade de reações secundárias que afetam a integridade do anodo. Pode se chegar a 6 mil ciclos dependendo do fabricante, ou seja, 6 mil cargas e descargas até degradar 30%. Assumindo que sejam 4 mil ciclos de 300 km, teremos que rodar cerca 1,2 milhão de quilômetros até degradar 30%, trata-se de uma média pois a degradação ocorre lentamente e influencia nesse cálculo, além disso há outros fatores como carregar entre 20 e 80% da capacidade da bateria que podem aumentar em até 90% o número de ciclos declarados pelo fabricante.
2 – A capacidade de aceitar uma frequente carga rápida de, por exemplo, 350 kW em 10 minutos de uma carga de oportunidade em um dado eletroposto ou ainda diariamente no eletroposto da sua casa por um período de uma hora depende de vários fatores além da bateria, como inversor, arquitetura de células, BMS, refrigeração etc. Aqui estamos falando da química do polo positivo, o melhor cátodo para carga rápida, depende muito das especificações e requisitos da aplicação. Se a segurança e a estabilidade térmica são prioridades, o LFP ou LFPS podem ser melhores opções. No entanto, se a densidade de energia é crucial e a estabilidade térmica pode ser gerenciada adequadamente, o NCM ou NCA podem ser preferíveis. Ou seja, com boa refrigeração que custa mais, o NCM e NCA são os mais indicados.
3 – Descarga rápida, ou seja, o responsável pela aceleração do veículo. Estamos falando de polo positivo, mas o negativo com grafite e futuramente silício também são importantes na descarga rápida. Não há uma única “melhor” química para descarga rápida, pois a escolha depende das necessidades específicas da aplicação. No entanto, para aplicações que exigem alta potência e descargas rápidas, as baterias de NCA em primeiro e especialmente as variantes de LFPS, são frequentemente consideradas boas opções devido à sua capacidade de fornecer energia rapidamente e sua estabilidade térmica.
4 – Segurança é um tema importante em tudo e não é diferente na indústria automobilística e nas baterias dos veículos elétricos. Qual a química que necessita de menos climatização no processo de carga e descarga rápida de uma bateria? As baterias de fosfato de ferro e lítio (LFP) tendem a exigir menos climatização durante o processo de carga e descarga rápida em comparação com as baterias de óxido de níquel, cobalto e manganês (NCM), óxido de níquel, cobalto e alumínio (NCA) e suas variantes, incluindo LFPS (fosfato de ferro e lítio com enxofre). Há várias razões para isso, entre elas, estabilidade térmica, segurança: devido à sua estrutura química robusta, as baterias de LFP são consideradas mais seguras em termos de risco de incêndio ou explosão, mesmo em condições de estresse, o que pode reduzir a necessidade de sistemas de gerenciamento térmico complexos, menos propenso a degradação térmica.
5 – Densidade energética: é a relação entre energia e massa do combustível, dada por exemplo em Wh/kg também está presente nos combustíveis fósseis, quanto mais energia colocarmos no mesmo tanque ou no mesmo pacote de baterias mais autonomia tem o veículo. Num tanque de 100 litros, diferentes combustíveis têm diferentes densidades energéticas, a autonomia com etanol é menor que com gasolina que por sua vez é menor que no diesel. No carro elétrico é a mesma coisa, digamos que no projeto do carro foi separado um volume e uma massa de 100 kg para o pacote de baterias. Se a química do cátodo for de LFPS, a autonomia seria hipoteticamente de 300 km, com NCM 400 km e com NCA 500 km. Em resumo, a densidade de energia de uma bateria é determinada por uma combinação de materiais utilizados nos eletrodos, pela eficácia do eletrólito, pelo design da célula e pelo tamanho e forma da bateria.
6 – Para minimizar a perda de autonomia em climas de extremo calor e frio, várias estratégias podem ser implementadas:
Química da célula: Alguns tipos de baterias de íon de lítio têm uma melhor resistência a temperaturas extremas do que outros. Por exemplo, baterias com óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto (NMC) podem ter uma resistência melhor a altas temperaturas em comparação com outras químicas. Além disso, alguns fabricantes desenvolveram químicas específicas que oferecem melhor desempenho em condições extremas.
Sistemas de gerenciamento térmico: Os veículos elétricos geralmente são equipados com sistemas avançados de gerenciamento térmico das baterias. Esses sistemas podem aquecer ou resfriar ativamente as baterias para mantê-las dentro de uma faixa de temperatura ideal, mesmo em condições extremas. Isso ajuda a garantir o desempenho da bateria e minimizar a perda de autonomia.
Isolamento térmico: As baterias podem ser isoladas termicamente para protegê-las de temperaturas externas extremas. Isso pode ser feito por meio de materiais de isolamento embutidos na estrutura da bateria ou pelo projeto de compartimentos de bateria que minimizam a transferência de calor para dentro ou para fora da bateria.
Pré condicionamento da bateria: Alguns veículos elétricos oferecem a opção de pré-condicionar a bateria antes de iniciar uma viagem em condições extremas de temperatura. Isso envolve aquecer ou resfriar a bateria enquanto o veículo ainda está conectado à rede elétrica, preparando-a para o uso e minimizando a perda de autonomia durante a viagem.
A arte e técnica de combinar maior autonomia, com menor preço, segurança, reciclabilidade, vida útil, desempenho de aceleração, velocidade de recarga é como sintonizar um rádio com mil botões, exatamente por isso o tema continuará a fazer parte das famosas rodas de conversa sobre carros.
