Enchendo a bateria
Enquanto todos tentavam baixar a temperatura das baterias de íons de lítio - para que elas não explodissem, entre outras
vantagens - uma equipe da Universidade do Estado da Pensilvânia, nos EUA,
descobriu que o melhor é fazer justamente o oposto.
Xiao-Guang Yang e seus colegas desenvolveram uma
bateria de íons de lítio que carrega velozmente a uma temperatura elevada, mas
mantém a célula fria durante o uso da energia.
Em apenas 10 minutos a bateria se recarrega
inteiramente, podendo adicionar até 320 km de autonomia a um carro elétrico.
Chapeamento
Tem havido uma pressão para o desenvolvimento de
baterias de veículos elétricos capazes de carregar de forma extremamente rápida
- alguns falam em reduzir a recarga ao mesmo tempo necessário para encher um
tanque de um carro a combustão.
No entanto, uma taxa de carregamento assim exigiria
que a bateria captasse rapidamente 400 quilowatts de energia em muito pouco
tempo, um feito que as baterias atuais não conseguem realizar porque correm o
risco do chamado chapeamento do lítio - a deposição de lítio metálico ao redor
do anodo - o que diminui drasticamente a vida útil da bateria.
Enquanto as baterias de lítio atuais são carregadas
e descarregadas à mesma temperatura, os pesquisadores descobriram que podem
contornar o problema do chapeamento de lítio carregando a bateria a uma
temperatura mais elevada, de 60º C, por alguns minutos e depois usar sua carga
nas temperaturas mais baixas tradicionais.
"Além do carregamento rápido, esse design nos
permite limitar o tempo de exposição da bateria à temperatura de carga elevada,
gerando uma vida útil muito longa. A chave é fazer um aquecimento rápido; caso
contrário, a bateria permanecerá em temperaturas elevadas por muito tempo,
causando grave degradação," explicou o professor Chao-Yang Wang.
O chapeamento de lítio (Li metal plating)
reduz drasticamente a vida útil das baterias de lítio atuais se sua temperatura
subir muito. [Imagem: Albert H.
Zimmerman/Michael V. Quinzio (2010)]
Bateria recarrega em 10 minutos
Para reduzir o tempo de aquecimento e aquecer toda
a bateria a uma temperatura uniforme, a equipe inseriu na bateria de lítio uma
estrutura de níquel com autoaquecimento automático, capaz atingir a temperatura
desejada em menos de trinta segundos.
Para testar seu modelo, Yang carregou três células
projetadas para veículos elétricos híbridos a 40, 49 e 60 graus Celsius, bem como um controle
a 20 graus Celsius, usando várias estratégias de resfriamento para manter
temperaturas de carga constantes.
As baterias preaquecidas a 60º C sustentaram o
processo de carregamento extremamente rápido por 1.700 ciclos, enquanto a
célula de controle só conseguiu acompanhar o ritmo por 60 ciclos.
Para confirmar que a deposição de lítio metálico
não ocorreu, eles posteriormente descarregaram completamente as células e as
abriram para análise. Não foi observado qualquer chapeamento de lítio nas
temperaturas médias de carga entre 49 e 60 graus Celsius.
"No passado, acreditava-se universalmente que
as baterias de íons de lítio deveriam evitar operar em altas temperaturas
devido à preocupação de reações colaterais aceleradas," comentou Wang.
"Este estudo sugere que os benefícios da mitigação do chapeamento de lítio
sob temperatura elevada, com tempo de exposição limitado, superam em muito o
impacto negativo associado a reações colaterais exacerbadas."
Rumo aos 5 minutos
A folha de níquel aumenta o custo de cada célula em
0,47%, mas, como o projeto elimina a necessidade dos aquecedores externos
usados nos modelos atuais, na verdade o projeto reduz o custo de produção de
cada bateria.
E a equipe não está satisfeita com 10 minutos para
recarregar as baterias dos carros elétricos.
"Estamos trabalhando para carregar uma bateria
de veículo elétrico de alta densidade em cinco minutos sem danificá-la,"
disse Wang. "Isso exigirá eletrólitos e materiais ativos altamente
estáveis, além da estrutura de autoaquecimento que inventamos".
Bibliografia:
Artigo: Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries
Autores: Xiao-Guang Yang, Teng Liu, Yue Gao, Shanhai Ge, Yongjun Leng, Donghai Wang, Chao-Yang Wang
Revista: Joule DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.021
Artigo: Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries
Autores: Xiao-Guang Yang, Teng Liu, Yue Gao, Shanhai Ge, Yongjun Leng, Donghai Wang, Chao-Yang Wang
Revista: Joule DOI: 10.1016/j.joule.2019.09.021
