Baterias que resolvem

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