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A longevidade da bateria é um fator crucial no sucesso dos veículos elétricos (VEs) como veículos de mercado de massa. As baterias são o núcleo dos VEs e influenciam diretamente seu custo e, por extensão, o apelo ao consumidor. Uma bateria de maior duração significa menos substituições, impactando positivamente o custo de propriedade e reduzindo o impacto ambiental.
À medida que o mundo automotivo acelera em direção à adoção generalizada de EV, há uma demanda crescente por baterias que possam sustentar alto desempenho por períodos prolongados. Otimizar os ciclos de carga inicial, ou formação, é essencial para estabilizar a estrutura interna da bateria e abrir caminho para EVs com maior vida útil, fornecendo aos consumidores soluções de mobilidade mais longas e sustentáveis.
Assim como você tem que “amaciar” um motor de combustão interna para desempenho e longevidade ideais, você deve formatar uma bateria de EV pelos mesmos motivos. Um estudo recente indica que o processo atual de formação de baterias pode não ser o ideal.
Para fornecer as informações mais atualizadas e precisas possíveis, os dados usados para compilar este artigo foram obtidos de vários sites de fabricantes e outras fontes confiáveis, incluindo Joule e ScienceDirect.
Uma simples mudança na formatação das baterias de veículos elétricos pode prolongar sua vida útil
Uma recente inovação em baterias realizada por cientistas do SLAC-Stanford Battery Center, do Toyota Research Institute, do Massachusetts Institute of Technology (MIT) e da University of Washington mostra que o uso de correntes excepcionalmente altas durante o processo de formação de baterias de veículos elétricos pode melhorar significativamente sua vida útil e desempenho.
Tradicionalmente, a formação de baterias envolve ciclos lentos de carga e descarga para estabilizar a estrutura interna da bateria, um método demorado e que consome muita energia, o que atrasa a chegada de novas baterias (e, portanto, novos veículos elétricos) ao mercado e pode não ser tão bom para a bateria.
Carregamento controlado mais rápido auxilia na durabilidade da bateria
O carregamento e descarregamento controlados das baterias ajudam a formar uma camada robusta de eletrólito sólido (SEI) no eletrodo positivo para atuar como uma barreira protetora para estabilizar o lítio da bateria que se degrada naturalmente ao longo do tempo.
Os pesquisadores carregaram e descarregaram baterias de íons de lítio 186 vezes usando 62 protocolos de formação no mesmo modelo de envelhecimento e descobriram que usar correntes mais altas para técnicas de carga e descarga mais rápidas e controladas durante os estágios iniciais de uma A vida útil da bateria do VE pode melhorar sua longevidade em uma média de 50%, podendo chegar a 70%.
Ao otimizar esse processo inicial, os pesquisadores conseguiram criar baterias que mantêm sua capacidade e desempenho por períodos mais longos, o que acabaria aumentando a eficiência e a vida útil dos veículos elétricos.
Como a formação da bateria é realizada atualmente
O processo atual de formação de baterias de íons de lítio para veículos elétricos na fábrica envolve uma série de ciclos controlados de carga e descarga, começando com uma corrente baixa para permitir que os íons de lítio fluam lentamente para formar uma camada SEI estável. Gradualmente, correntes mais altas são introduzidas para condicionar a estrutura interna da célula e otimizar a capacidade. O processo pode levar de muitas horas a vários dias, às vezes até duas semanas, e resulta em uma bateria estável e pronta para servir efetivamente ao proprietário de um veículo elétrico durante toda a vida útil do veículo elétrico e talvez até além dela.
Como a formação de ciclos de corrente mais altos afeta a vida útil da bateria
Os ciclos tradicionais de carga e descarga de baixa corrente que constroem cuidadosamente a camada SEI consomem tempo e naturalmente diminuem a taxa na qual os EVs saem da fábrica. Usar uma corrente inicial mais alta pode reduzir significativamente esse tempo de formação em cerca de 30 a 50 por cento sem comprometer a qualidade da camada SEI.
Os pesquisadores descobriram que o uso de corrente mais alta acelera o fluxo de íons de lítio entre os eletrodos positivo e negativo (ânodo e cátodo, respectivamente), mas não torna a camada SEI menos robusta, o que significa que a longevidade e o desempenho da bateria podem aumentar com novos processos e os veículos elétricos podem sair das linhas de produção em uma velocidade maior.
Como a formação da bateria afeta o desempenho e a longevidade
A formação da bateria é crucial para a capacidade e longevidade da bateria, e afeta a eficiência e os custos da produção, e a satisfação e a confiança do consumidor. Como ela é realizada equilibra um com o outro, e quando otimizada, cria um cenário ganha-ganha.
Como funciona a formação da bateria
- Ciclos de carga/descarga controlados
- Requer vários ciclos
- Processo demorado
As taxas de carga e descarga de uma bateria são medidas em taxas C, onde a capacidade de uma bateria é comumente classificada em 1C – o que significa que uma bateria totalmente carregada classificada em 1Ah deve fornecer um ampère por uma hora, ou fracionadamente, 10 ampères por um décimo de hora. Para garantir a formação estável da camada SEI, as baterias de íons de lítio são normalmente carregadas a uma taxa baixa de 0,1C-0,3C, ou um décimo de um ampère por 10 horas, a 3/10 de um ampère por quatro horas. Este ciclo é geralmente repetido de três a cinco vezes.
Então, no melhor cenário, levará perto de 24 horas para concluir o processo, e na maioria dos casos, mais perto de 72 horas por bateria, embora isso dependa da química específica da bateria e dos resultados desejados. O processo pode se estender por uma semana ou mais, mas isso não significa que as baterias de íons de lítio estejam à beira da morte.
Acelerando o ciclo de carga/descarga
Para avaliar a eficácia do ciclo de carga/descarga e encontrar uma taxa ideal para a formação da bateria, o estudo SLAC-Stanford realizou 186 ciclos em diferentes correntes e descobriu que se a carga inicial fosse realizada em 20 minutos (taxa de carga de 3C a 4C), as perdas imediatas seriam mais do que compensadas pelos ganhos a longo prazo.
O ganho imediatamente percebido é o tempo, nosso principal recurso não renovável – cortar esse primeiro ciclo quase pela metade ajudará a formatar mais baterias e a lançar carros em um ritmo mais rápido. Falando em tempo voando, foi há cerca de 15 anos que a primeira unidade de produção de baterias de íons de lítio foi inaugurada.
O raciocínio por trás da formação de baterias de baixa taxa
A razão para as baixas taxas de carga e descarga é a crença antiga de que a formação mais lenta da camada SEI faz duas coisas. Ela desacelera a perda de lítio, que é um subproduto natural do uso, e previne o revestimento de lítio, que é basicamente o que parece – lítio que se forma em placas.
Quanto maior a perda de lítio, menor a vida útil da bateria e isso é uma preocupação para os consumidores. A criação de revestimento de lítio ao longo do tempo pode danificar a camada SEI e fazer com que ela se reforme, usando mais lítio. De qualquer forma, a vida útil da bateria sofre. No entanto, estudos recentes mostraram que o revestimento de lítio durante a formação não afeta negativamente o desempenho e a segurança. E o estudo apoiado pela Toyota seguiu, durante seu teste de 186 ciclos, que uma perda de lítio nos estágios iniciais do uso da bateria também não é necessariamente uma coisa ruim.
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Dissipando a crença da formação de baterias de baixa taxa
A partir de seu extenso experimento em carregar e descarregar baterias em várias taxas de carga, o estudo apoiado pela Toyota mostrou que as baterias perderam até 30% de seu lítio após a primeira carga de alta corrente (a maneira tradicional consumia cerca de nove por cento), o que é ruim, certo? Bem, não necessariamente.
Na etapa mais recente da evolução da bateria de íons de lítio em constante mudança, o estudo revelou que grande parte do lítio gasto foi para criar uma camada SEI no cátodo, que é onde as baterias perdem seu conteúdo de lítio exponencialmente mais rápido, à medida que envelhecem. Essa camada diminuirá a perda de lítio mais tarde na vida da bateria em até 50% e, em alguns casos, mais perto de 70%.
Os cientistas no estudo compararam isso a carregar um balde de água cheio até a borda por uma longa distância: se você despejar 30% do líquido no início, o balde será mais fácil de carregar pela distância, enquanto perde menos água por derramamento, e talvez até vá mais longe do que a distância esperada sem perder mais água.
O benefício do carregamento rápido inicial para desempenho de bateria de longo prazo
De acordo com o estudo SLAC-Stanford, carregar inicialmente uma bateria de íons de lítio de um VE a uma taxa rápida de 3C (embora não tão rápido quanto algumas soluções futurísticas da NASA) oferece benefícios significativos para o desempenho a longo prazo porque ajuda a formar uma camada SEI mais uniforme, o que é crucial para proteger os eletrodos da bateria e minimizar reações colaterais indesejadas que degradam a bateria ao longo do tempo,
O efeito do carregamento rápido no desempenho de curto prazo
Embora carregar consistentemente uma bateria de íons de lítio EV em uma taxa alta possa reduzir o tempo de inatividade, há um preço a pagar, pois também impacta significativamente seu desempenho no curto prazo porque gera mais calor e promove o revestimento de lítio, o que reduz a eficiência e a capacidade. Especialistas recomendam equilibrar o carregamento rápido com ciclos de carregamento mais lentos para a saúde ideal da bateria.
Ponderando a necessidade de mais pesquisas sobre baterias
Estudos como o SLAC-Stanford, apoiado pela Toyota, destacam a necessidade de mais pesquisas sobre tecnologias e processos que ajudem a acelerar a produção de baterias e veículos elétricos, melhorem a potência e a eficiência imediatas de uma bateria e ajudem a manter sua capacidade ao longo dos anos de uso.
Alcançar esse equilíbrio exigirá melhorias em todas as áreas, desde avanços na ciência dos materiais até química de eletrólitos e sistemas de gerenciamento de baterias. A melhoria dessas partes do sistema geral auxiliará na formação de um SEI robusto, que é a chave para estender a vida útil da bateria sem comprometer o desempenho.
Educar os consumidores também ajudará no uso duradouro dos veículos elétricos
Educar os consumidores sobre os benefícios de uma carga rápida inicial controlada de uma bateria de íons de lítio também é crucial. Ao entender que essa taxa de carga inicial mais alta pode causar deficiências temporárias de potência e alcance, é um passo estratégico em direção ao objetivo de longo prazo de prolongar a vida útil da bateria. O investimento inicial na saúde da bateria pode reduzir significativamente a perda de capacidade ao longo do tempo, levando a um EV mais duradouro e confiável.
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