A história interna das baterias EV: desmistificando NCM, NCA, LFP e produtos químicos de estado sólido

A principal razão pela qual os veículos elétricos não assumiram completamente o controle da carga de transporte é o nível tecnológico de suas baterias de alta tensão. Embora durante a última década tenham sido feitos enormes avanços neste campo, o conteúdo energético das baterias não chega nem perto do conteúdo energético dos combustíveis líquidos. O Santo Graal da pesquisa automotiva é uma bateria com densidade de energia significativamente maior do que a disponível atualmente. Portanto, decidimos fazer uma revisão das tecnologias de bateria atuais e futuras e deixá-lo atualizado.

Tecnologias atualmente em uso

Íon de lítio - cátodo NCM e NCA

As baterias de íon de lítio existem há aproximadamente 30 anos, quando a Sony as introduziu em um dispositivo comercial - a filmadora Sony CCD-TR1. Como funciona uma bateria de íon de lítio? Resumindo, os íons de lítio viajam do ânodo para o cátodo, indo e voltando. Durante a descarga, o ânodo envia íons de lítio para o cátodo. Os íons de lítio viajam através de eletrólitos líquidos enquanto os elétrons viajam através do circuito externo e se recombinam no cátodo da célula. Durante o carregamento acontece o oposto.

Hoje em dia, as baterias de alta tensão de íon de lítio NCM e NCA são usadas quase exclusivamente em veículos elétricos. N significa Níquel, C para Cobalto, M para Manganês e A para Alumínio. Dependendo da percentagem destes materiais no cátodo da bateria, são alcançadas características diferentes. Por exemplo, uma bateria NCM 712 significa que ela consiste em 70% de níquel, 10% de cobalto e 20% de manganês. Em geral, quanto maior for a percentagem de níquel na bateria, maior será a densidade de energia que a bateria pode fornecer, com um efeito profundamente positivo no peso e nas dimensões da bateria.

Devido à escassez de cobalto na crosta terrestre e à sua ética mineira questionável (trabalho infantil), os fabricantes de baterias tentam utilizar produtos químicos com menor percentagem do material ou exclusão total do mesmo. A combinação de cátodo com alto teor de níquel, arranjo de célula para embalagem e silício no ânodo pode elevar sua densidade de energia até 325 Wh/kg. Poderíamos dizer que este tipo de bateria está perto dos seus limites tecnológicos.

Íon de lítio - cátodo LFP

Outra alternativa para o cátodo das baterias de íon-lítio é o uso de fosfato de ferro-lítio. Embora o desempenho deste tipo de bateria seja geralmente inferior ao do tipo NMC, ela é preferida por alguns fabricantes devido à sua maior vida útil e aos materiais mais baratos e comuns utilizados. A densidade de energia específica é menor aqui devido a dois fatores principais.

Primeiro, porque a tensão máxima é menor, isso significa que para a mesma capacitância obtemos menos kWh e, segundo, porque os íons de lítio se movem em uma dimensão espacial (em vez de duas nas baterias NMC). O fato dos íons de lítio se moverem em apenas uma dimensão espacial significa que a potência máxima de descarga da bateria também é menor, por isso este tipo de bateria não é considerada adequada para aplicações de alto desempenho.

Esta é a razão pela qual a Tesla usa esse tipo de química de bateria apenas para a versão básica do Modelo 3. Porém, esse tipo de bateria tem duas vantagens principais. Sua longevidade é considerada maior do que outros tipos de íons de lítio e não só não apresenta problemas ao carregá-la até 100%, como também é uma forte recomendação para essas baterias.

Possíveis tecnologias futuras

Lítio - Ar

As baterias de Lítio-Ar são maioritariamente um projecto tecnológico neste momento e em investigação, mas este tipo de bateria parece ser o mais promissor de todos e apresenta capacidade energética específica semelhante aos combustíveis líquidos com 11,4 kWh/kg. O lítio é encontrado no ânodo enquanto o ar está no cátodo e estes dois são separados por eletrólito. Durante a descarga, os íons de lítio do ânodo viajam para o cátodo onde o ar está presente e reagem com o oxigênio.

Infelizmente, as altas temperaturas durante o carregamento impedem a recarga rápida da bateria, enquanto a formação de dendritos durante o processo reduz bastante a vida útil da bateria, limitando seu uso atualmente ao ambiente de laboratório. Se os seus desafios tecnológicos forem superados e o seu custo for razoável, os veículos ICE tornar-se-ão obsoletos da noite para o dia.

Solid State

É considerado o Santo Graal das baterias de automóveis e atualmente estão sendo realizadas vastas pesquisas por todos os gigantes da indústria automotiva. As baterias convencionais de íon de lítio atuais usam eletrólitos líquidos e um separador para separar o ânodo do cátodo. Na bateria de estado sólido, o eletrólito líquido e o separador são substituídos por um eletrólito sólido.

Os pesquisadores estão atualmente avaliando uma série de opções para o eletrólito sólido, incluindo substâncias metálicas e cerâmicas. Embora nenhum veículo elétrico utilize atualmente esta tecnologia de bateria, prevê-se que os primeiros modelos de produção cheguem ao mercado nos próximos dois a três anos. Prevê-se que esta bateria ofereça uma densidade de energia específica duas vezes superior à das baterias tradicionais de iões de lítio com eletrólitos líquidos, mantendo ao mesmo tempo uma vida útil de 1.000 ciclos, embora estas estimativas possam potencialmente melhorar à medida que o desenvolvimento avança.