Por que o carregamento rápido é a morte das baterias

Eles querem mudar o óleo, mas ainda têm uma falha fatal sobre a qual os fabricantes não falam.

A Idade do Carvão foi lembrada há muito tempo. A era do petróleo também está chegando ao fim. Na terceira década do século XNUMX, vivemos claramente na era das baterias.

SEU PAPEL SEMPRE foi significativo desde que a eletricidade entrou na vida humana. Mas agora três tendências de repente tornaram o armazenamento de energia a tecnologia mais importante do planeta.

A primeira tendência é o boom de dispositivos móveis - smartphones, tablets, laptops. Costumávamos precisar de baterias para coisas como lanternas, rádios móveis e dispositivos portáteis - todos com usos relativamente limitados. Hoje, todo mundo tem pelo menos um dispositivo móvel pessoal, que usa quase constantemente e sem o qual sua vida é impensável.

A SEGUNDA TENDÊNCIA é a utilização de fontes renováveis ​​de energia e o súbito descompasso entre os picos de produção e consumo de eletricidade. Antes era fácil: quando os proprietários ligavam fogões e TVs à noite e o consumo aumentava drasticamente, os operadores de usinas termelétricas e usinas nucleares simplesmente precisavam aumentar a potência. Mas com a geração de energia solar e eólica isso é impossível: o pico de produção ocorre na maioria das vezes no momento em que o consumo está em seu nível mais baixo. Portanto, a energia deve ser armazenada de alguma forma. Uma opção é a chamada “sociedade do hidrogênio”, na qual a eletricidade é convertida em hidrogênio e alimenta a rede e os veículos elétricos com o combustível. Mas o custo extraordinariamente alto da infraestrutura necessária e as más memórias da humanidade sobre o hidrogênio (Hindenburg e outros) deixam esse conceito em segundo plano por enquanto.

As chamadas "redes inteligentes" aparecem nas mentes dos departamentos de marketing: os carros elétricos recebem energia em excesso no pico de produção e, então, se necessário, podem devolvê-la à rede. No entanto, as baterias modernas ainda não estão prontas para esse desafio.

OUTRA POSSÍVEL RESPOSTA para esse problema promete uma terceira tendência: a substituição dos motores de combustão interna por veículos elétricos a bateria (BEVs). Um dos principais argumentos a favor desses veículos elétricos é que eles podem ser participantes ativos da rede e tirar o excedente para devolvê-lo quando necessário.

Todo fabricante de EV, da Tesla à Volkswagen, usa essa ideia em seus materiais de relações públicas. No entanto, nenhum deles admite o que é dolorosamente claro para os engenheiros: as baterias modernas não são adequadas para esse tipo de trabalho.

A TECNOLOGIA DE LÍTIO-ÍON que domina o mercado hoje e oferece desde seu rastreador de fitness até o Tesla Model S mais rápido, tem muitas vantagens sobre os conceitos mais antigos, como baterias de chumbo-ácido ou de níquel-hidreto metálico. Mas também tem algumas limitações e, sobretudo, tendência ao envelhecimento.

A maioria das pessoas pensa nas baterias como uma espécie de tubo no qual a eletricidade "flui" de alguma forma. Na prática, entretanto, as baterias não armazenam eletricidade sozinhas. Eles o usam para desencadear certas reações químicas. Então, eles podem iniciar a reação oposta e recuperar sua carga.

Para baterias de íon de lítio, a reação com a liberação de eletricidade é assim: íons de lítio são formados no ânodo da bateria. Esses são átomos de lítio, cada um dos quais perdeu um elétron. Os íons se movem através do eletrólito líquido para o cátodo. E os elétrons liberados são canalizados por um circuito elétrico, fornecendo a energia de que precisamos. Quando a bateria é ligada para carregar, o processo é revertido e os íons são coletados com os elétrons perdidos.

O "crescimento excessivo" com compostos de lítio pode causar um curto-circuito e inflamar a bateria.

Infelizmente, NO ENTANTO, a ALTA REATIVIDADE que torna o lítio tão adequado para a fabricação de baterias tem um lado negativo - ele tende a participar de outras reações químicas indesejáveis. Portanto, uma fina camada de compostos de lítio se forma gradualmente no ânodo, o que interfere nas reações. E assim a capacidade da bateria diminui. Quanto mais intensamente ele é carregado e descarregado, mais espesso se torna esse revestimento. Às vezes, pode até liberar os chamados "dendritos" - pense em estalactites de compostos de lítio - que se estendem do ânodo ao cátodo e, se o atingirem, podem causar um curto-circuito e incendiar a bateria.

Cada ciclo de carga e descarga reduz a vida útil da bateria de íons de lítio. Mas o carregamento rápido recentemente na moda com uma corrente trifásica acelera significativamente o processo. Para os smartphones, isso não é uma grande barreira para os fabricantes, de qualquer forma, eles querem obrigar os usuários a trocar de aparelho a cada dois ou três anos, mas os carros são um problema.

Para convencer os consumidores a comprar veículos elétricos, os fabricantes também devem atraí-los com opções de carregamento rápido. Mas estações rápidas como Ionity não são adequadas para o uso diário.

O CUSTO DA BATERIA É OUTRO TERCEIRO e ainda mais do que o preço total do carro elétrico atual. Para convencer seus clientes de que não estão comprando uma bomba-relógio, todos os fabricantes fornecem uma garantia de bateria separada e mais longa. Ao mesmo tempo, eles contam com um carregamento mais rápido para tornar seus carros atraentes para viagens de longa distância. Até recentemente, as estações de carregamento mais rápidas operavam a 50 quilowatts. Mas o novo Mercedes EQC pode ser carregado até 110kW, o Audi e-tron até 150kW, como é oferecido pelas estações de carregamento europeias Ionity, e a Tesla prepara-se para elevar ainda mais a fasquia.

Esses fabricantes admitem rapidamente que o carregamento rápido destruirá as baterias. Estações como Ionity são mais adequadas para emergências quando uma pessoa já percorreu um longo caminho e tem pouco tempo. Caso contrário, carregar lentamente a bateria em casa é uma abordagem inteligente.

O grau de carga e descarga também é importante para sua vida útil. Portanto, a maioria dos fabricantes não recomenda cobrar acima de 80% ou abaixo de 20%. Com essa abordagem, uma bateria de íon de lítio perde em média cerca de 2 por cento de sua capacidade por ano. Assim, pode durar 10 anos, ou até cerca de 200 km, antes que sua potência caia tanto que se torne inutilizável em um carro.

Finalmente, é claro, a VIDA DA BATERIA depende de sua composição química única. É diferente para cada fabricante e, em muitos casos, é tão novo que nem se sabe como envelhecerá com o tempo. Vários fabricantes já estão prometendo uma nova geração de baterias com vida útil de "um milhão de milhas" (1.6 milhão de quilômetros). De acordo com Elon Musk, Tesla está trabalhando em um deles. A empresa chinesa CATL, que fornece produtos para a BMW e meia dúzia de outras empresas, prometeu que sua próxima bateria durará 16 anos, ou 2 milhões de quilômetros. A General Motors e a coreana LG Chem também estão desenvolvendo um projeto semelhante. Cada uma dessas empresas tem suas próprias soluções de tecnologia que desejam experimentar na vida real. A GM, por exemplo, usará materiais inovadores para evitar que a umidade entre nas células da bateria, uma das principais causas da incrustação de lítio no cátodo. A tecnologia CATL adiciona alumínio ao ânodo de níquel-cobalto-manganês. Isso não apenas reduz a necessidade de cobalto, que atualmente é a matéria-prima mais cara, mas também aumenta a vida útil da bateria. Pelo menos é o que os engenheiros chineses esperam. Os clientes em potencial ficam satisfeitos em saber se uma ideia funciona na prática.