Em detalhes: A bateria e aplicações em carros elétricos/híbridos

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Os carros elétricos e híbridos passaram de uma realidade distante a um fato no mercado nacional.

Um dos principais componentes (e normalmente o mais caro) é a bateria ou o pack de baterias.

Fizemos esse guia pra explicar os tipos e características de cada uma delas, com um bônus com dicas pra você usar no seu smartphone e laptop.

Princípio de funcionamento de uma bateria:

Conceitualmente todas as baterias funcionam de forma parecida, no exemplo abaixo falamos de uma bateria de chumbo, mas o conceito pode ser aplicados para as demais, alterando os materiais, as reações químicas e a posição de cada material (ora no cátodo ora no ânodo);

A bateria (ou pilha) é um componente que armazena energia química, não elétrica como pode parecer, essa energia química está presente no ânodo (parte negativa) e cátodo (parte positiva) e, entre eles, está o eletrólito (normalmente líquido), enquanto os polos da bateria estão desconectados, em teoria, não existe reação entre eles então não há geração de energia elétrica.

No momento em que os polos da bateria são conectados a um consumidor (um rádio por exemplo), a coisa muda de figura e o material do ânodo (no caso das bateria de chumbo) perde elétrons e esses elétrons formam corrente elétrica, o chumbo nesse momento sofre reações químicas com os eletrólitos presentes no ácido sulfúrico e se transforma em sulfato de chumbo.

Quando todo o chumbo é consumido, a bateria está descarregada.

Quando o alternador carrega a bateria (força a corrente elétrica a passar no sentido contrário), esse processo se reverte, transformando o sulfato de chumbo em chumbo novamente, que se prende no ânodo.

Bateria de chumbo ácido:

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Velha conhecida, é a mesma aplicada nos nossos carros, com tensão de aproximadamente 12V, já é uma tecnologia validada pelo mercado, e é composta basicamente de ácido e chumbo, ainda é aplicada em alguns veículos elétricos e híbridos mas somente para o funcionamento das funções eletrônicas do carro (módulos, rádio e faróis), nunca para mover o motor elétrico.

As principais características:

  • Pesada (o que inviabiliza utiliza-la para fins de mover um veículo elétrico pois o carro ficaria muito pesado);
  • Relativamente barata;
  • Tecnologia já validada no mercado;
  • Ampla rede de fornecedores e de manutenção;

Bateria de NiMH (Níquel Metal Hidreto):

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Você certamente já viu uma dessa, mas talvez não tenha se dado conta, é a mesma tecnologia aplicadas nas pilhas recarregáveis (aquelas AAA do seu controle remoto da TV) e foi amplamente utilizada em notebooks e celulares.

Elas são mais leves que as de chumbo, porém apresentam limitações, especialmente em termos de vida útil e capacidade de gerar energia, eram aplicadas em veículos híbridos mais antigos.

Algumas de suas características:

  • Mais leve que a bateria de chumbo, mas continua relativamente pesada;
  • Perdem sua carga rapidamente (cerca de 10% ao mês) quando não utilizadas;
  • Perdem sua eficiência em ciclos de grande carga e descarga (por exemplo ir de 100% a 0% em poucas horas e em seguida carrega-las até 100% novamente);
  • Não conseguem sustentar uma corrente elevada por muito tempo (o que dificulta sua aplicação em veículos puramente elétricos);
  • Está caindo em desuso;

Baterias de Li-Ion (Íon Lítio):

Célula de bateria que compõe um pack de baterias do Renault Kangoo
Célula de bateria que compõe um pack de baterias do Renault Kangoo.

A queridinha do momento, aplicada em veículos elétricos, híbridos e no seu smartphone, é uma tecnologia não tão nova, mas que vem sofrendo atualizações constantes para garantir maior autonomia, menor peso e segurança, pois, apesar de raros, existem casos de incêndio ou explosão delas.

Até o momento, o que tem se desenhado é que os carros serão movidos por esse tipo de bateria, pelo menos pelos próximos anos.

O ânodo dessas baterias é fabricado normalmente em grafite, já o cátodo por ligas de Lítio e Cobalto.

Existem materiais chamados de dopantes que são adicionados à bateria para aumentar sua eficiência e diminuir seu peso.

As principais características dessas baterias são:

  • Mais leve (maior densidade energética), quando comparadas com as baterias de NiMH e Chumbo;
  • Valor elevado (o processo de fabricação é mais delicado e o Lítio é um material caro e escasso);
  • Riscos de incêndio e explosão, especialmente se perfurada ou sofrer sobrecarga. Os veículos modernos passam por rigorosos testes e controle, em especial o teste de perfuração, conforme relatado pela BYD :
  • “Composta por células de lítio-ferro-fosfato (LFP), a bateria Blade BYD superou todas as expectativas no chamado teste “Everest” da indústria de baterias – com perfuração de pregos. Os resultados mostraram que é muito pouco provável – ou praticamente impossível – essa bateria entrar, de forma espontânea, em combustão ou provocar uma explosão. Além disso, suportou um super teste de resistência, quando um caminhão de 46 toneladas passou sobre um pacote de baterias Blade alinhadas. Não houve vazamento, deformação ou fumaça, e os produtos ficaram intactos e pronto para serem usados normalmente.”
  • Suporta um grande ciclo de cargas e descargas, especialmente se trabalhar entre 20% e 80% de sua capacidade de armazenamento.

Dica sobre as baterias de lítio

Em algum momento você já deve ouviu falar que deve sempre dar a carga completa no seu celular e esperar chegar em 0% de bateria antes de carrega-lo, não ouviu? Isso é um mito e vai diminuir a vida útil dela.

Esse mito se enraizou nas baterias de Lítio mas surgiu com as baterias de Cádmio. Lembra do processo de carga e descarga que demonstramos acima?

Esse é ele visto no microscópio:

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Dá pra notar a diferença de cor na camada superior, essa camada que se forma é a deposição do Lítio.

Agora imagine que essa camada aumenta e diminui o tempo todo (carga e descarga) e, quanto mais perto da “base”, mais difícil de retirar esse material, e essa dificuldade gera calor.

Isso causa reações químicas irreversíveis e aumenta essas “crateras” que se formam, diminuindo a área de contato e a quantidade de material reativo, e por consequência a vida útil da bateria.

Mas o que isso tem a ver com carregar e descarregar completamente?

Simples, quanto mais descarregada a bateria, menor é a camada de material no ânodo, ou seja, mais difícil retira-lo de lá, e quanto mais carregada a bateria, menor a quantidade de material no cátodo, sendo mais difícil retira-lo.

Portanto, sempre que possível, mantenha a bateria do seu celular entre 20% e 80%.

Espero que tenha gostado, nos próximos posts falaremos mais sobre veículos elétricos e híbridos.

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Autor: Luca Magnani

Engenheiro mecânico na indústria automotiva, pós graduado pela Universidade da Indústria do Paraná em Engenharia de veículos elétricos e híbridos.