Edição Junho 2021

A publicação será mensal e vai conter informações técnicas, notícias e novidades do mundo Daimler. O apoio da comunidade é bem vindo e por isso caso tenha alguma informação, sugestão, crónica, notícia técnica que ache que vale a pena partilhar entre em contacto com o Departamento Técnico ou através do e-mail vasco.pinto@soccsantos.pt.

Baterias de Lítio - O considerado petróleo branco

Passado 3 anos sobre a primeira edição sobre conceitos básicos de baterias pensamos que poderia ser uma boa altura para fazermos um refresh e adicionar algumas informações importantes e direcionar a publicação para o que é a atualidade - baterias de lítio.

As baterias de lítio começaram a ser desenvolvidas na década de 1970, mas a sua comercialização só se iniciou cerca de 20 anos depois.
Atualmente são consideradas como a tecnologia mais influente a curto prazo para viabilizar a energia limpa. São bastante mais leves do que as baterias recarregáveis feitas de compostos de níquel. Têm ainda melhor desempenho e uma vida útil mais longa. Estas qualidades explicam porque as células de iões de lítio são usadas em quase todos os dispositivos eletrónicos.
No auge do grande desafio, com a aplicação na indústria automóvel, as baterias de lítio começam agora a equipar veículos de grande produção (estima-se que em 2040 circulem pelo mundo 500 milhões de viatura elétricas). Aqui têm a responsabilidade de serem as principais geradoras de força motriz.
A maioria dos VE, experimentais ou de produção, utilizam baterias de lítio, independentemente da especificidade do tipo de tecnologia aplicada. O lítio é muito leve, muito eletropositivo, permitindo uma densidade de energia muito alta, por isso torna-se uma matéria prima muito desejada para estes fins.
Muitos especialistas concordam que a tecnologia está estabilizada e pronta para a primeira geração de veículos elétricos. Mesmo assim ainda falta resolver alguns problemas: o tamanho, a capacidade e o custo ...

Em Portugal, nove regiões especificas concentram pelo menos 60 mil toneladas deste minério, colocando o nosso país no top 10 mundial das reservas de lítio.
O minério já é explorado em Portugal há décadas, mas o seu uso tem sido quase exclusivo na indústria cerâmica. Um cenário que está a mudar e, não existindo atualmente qualquer "explorador" europeu, o nosso país tem o benefício da localização da produção do ponto de vista da Europa, dada a proximidade das fábricas europeias de automóveis.
O preço do lítio tem vindo a escalar nos últimos dois anos, à medida que a procura aumentou para a principal matéria-prima das baterias devido ao crescimento da produção dos veículos elétricos. Para ficarem com uma noção, uma viatura 100% elétrica usa mais lítio nas suas baterias do que 10 mil smartphones.

Mais sobre o assunto...

Conceito de bateria

Antes de começar é preciso dizer que não existem tecnologias perfeitas e que para os mais céticos nesta tecnologia vai haver sempre entraves e "desculpas"... Temos de reconhecer o seu potencial e aceitar as suas fraquezas!

A natureza oferece muitas maneiras de produzir energia. As mais comuns hoje em dia resultam de combustão (ex: energia térmica), movimento mecânico (ex: energia eólica, energia hídrica) e luz solar (ex: energia solar). A produção de energia elétrica de uma bateria é desenvolvida por uma reação eletroquímica entre dois metais de afinidades diferentes. Quando exposto a ácidos, uma voltagem é criada entre os metais como parte da transferência de iões que ao fechar o circuito induz uma corrente.

O conceito mais simples de uma bateria é um limão. Ok, parece maluquice mas não é, e vamos tentar fazer a analogia da melhor maneira possível... Sabemos que uma bateria é composta por dois eletrodos (cátodo e ânodo), um separador e um eletrólito. Neste caso vamos ter:

o sumo do limão como o eletrólito, ou seja o meio onde os iões vão "circular";
uma moeda (cobre) como o eletólito positivo;
prego banhado a zinco como eletrólito negativo.

Esta combinação vai gerar uma diferença de potencial (tensão) podendo ser usada para movimentar eletrões através de uma carga, alimentando-a. Claro que não descobrimos a polvora e que a energia criada é muito residual e que ao mínimo problema causamos o colapso desta pequena experiência. O importante é perceber que a energia não vem do limão em si, mas da mudança química na dissolução do zinco no ácido (sumo de limão).

Potencial padrão de zinco = -0,76 V
Potencial padrão de cobre = 0,34 V
Potencial do sistema teste = 1,10 V

(vídeo Youtube)

No mundo real as coisas não são assim tão simples mas acabam por funcionar da mesma forma.

As bateria de iões de lítio são consideradas baterias secundárias isto é ao contrário das primárias o processo químico que se dá para gerar energia é reversível tornando-as capazes de fazer o seu papel várias vezes ou como costumamos chamar no dia-a-dia - baterias recarregáveis.

Como vimos no caso do limão acabamos por ter os mesmo componentes que já falamos mas desta vez um bocado mais complexos. Não queremos tornar isto aborrecido mas achamos que também um aprofundar um bocado mais não faz mal a ninguém...

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Química Crash Course

Como sabemos o lítio é dos elementos da tabela periódica mais leve e menos denso da sua família, apenas composto por 3 protões e 3 eletrões.

Como em todos os atómos, os protões (carga positiva), em conjunto com os neutrões (eletricamente neutros), compoem o núcleo e à sua volta a conhecida nuvem onde orbitam os eletrões (carga negativa). À semalhança do nosso sistema solar existem várias orbitas ou níveis onde os eletões podem estar e quanto mais afastados estão do nucleo menos força gravitacional o mesmo exerce sobre os eletrões. Devido ao afastamento é mais fácil para os eletrões na camada de valência "saltarem" fora da orbita tornando o atomo um ião positivo (fica com mais protões (+) que eletrões (-) tornando o seu balanço positivo).

O novo ião pode ser positivo ou negativo conforme a sua aptidão de ficar preparado para receber ou dar eletrões sempre com o objetivo de ficar mais estável.
Não querendo ser demancha prazeres é com este libertar de eletrões que vamos gerar energia!

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Devido ao átomo de lítio se tornar um ião (por um eletrão saltar de orbita) tanto o ânodo como o cátodo devem ser compostos por materiais com estrutura e capacidade de reterem esses iões de lítio que se vão formar.
Normalmente o ânodo é composto por grafite, uma das muitas formas de organização do átomo de carbono. A estrutura é organizada e bastante coesa.
Já no caso do cátodo o mesmo é composto por várias compósitos dependendo da finalidade da bateria de lítio mas maioritariamente cobalto, manganésio e níquel.
Ambos precisam de finas "folhas" de cobre (no ânodo) e alumínio (no cátodo) para ajudar a organizar os eletrões que viajam de um polo para o outro. A estes damos o nome de coletores.

O separador com o nome diz tem de exister para separar o polo negativo do positivo e evitar um curto de circuito interno. O separador tem também a função de garantir que os eletrões apenas fazem o caminho correto através da carga apenas deixando passar os iões de lítio.
Esta movimentação apenas é possivel pois existem um meio para os iões se deslocarem - eletrólito.

Não basta perceber como funcionam... Temos de saber cuidar!

É incontestável que é a tecnologia mais eficiente do mercado hoje me dia com altos níveis de qualidade, potência e durabilidade. Podemos também dizer que o problema dos carregamentos está cada vez mais no passado pois multiplicam-se os postos de carregamentos instalados nas estradas e cidades (em muitos casos já com carregamento de corrente contínua). A autonomia já muito próxima do aceitável e em alguns casos mesmo comparável a uma viatura a diesel/gasolina. Isto só é possível devido a um sistema inteligente que a par das células com diferentes químicas, uma eletrónica de potência aprimorada, um sistema de arrefecimento integrado e uma carcaça de alta segurança nos proporcionam uma nova era de mobilidade.

Contudo sabemos que as baterias de iões de lítio assim como outros componentes estão sujeitos a desgaste.

Efeito Memória Vs Envelhecimento

O efeito memória também conhecido na gíria como o viciar da bateria, ocorre apenas em algumas baterias mais antigas como as níquel cádmio (NiCd) e não nas mas recentes como as de lítio. Este efeito é causado pela modificação química interna na bateria que afeta a sua capacidade.

O envelhecimento é associado a um desgaste natural das células. Pela Daimler este envelhecimento pode ser diferenciado em dois mecanismos básicos:

Envelhecimento de acordo com o calendário - está associada ao modo de armazenamento/imobilização e é influenciado por dois fatores - temperatura (quanto maior for maior vai ser o envelhecimento) e estado de carga (SOC) (quando maior for o SOC durante o armazenamento/imobilização maior pode ser o envelhecimento.
Envelhecimento cíclico - está associado à utilização onde ocorre irreversivelmente uma perda de capacidade útil. Trata-se de um processo natural dentro das células que tecnicamente não é possível evitar. Claro está que o utilizador pode acelerar ou desacelerar este desgaste natural. Nesta situação os fatores que influenciam são a temperatura de operação, estado de carga (SOC), profundidade de descarga, corrente de carga e número de ciclos.

Boas práticas de utilização e conservação das baterias de iões de lítio MB

Como já vimos o envelhecimento é dado pela diminuição da capacidade útil e que isso vai influenciar negativamente a experiência de uma viatura elétrica. Em todo o caso, o utilizador pode ter em conta certas medidas para evitar a deterioração:

Evitar um longo tempo de parada com um SOC elevado - Se tiver de deixar a sua viatura algum tempo imobilizada o estado de carga deve andar por volta dos 40% diminuindo assim o envelhecimento.
Fases de repouso regulares - As bateria de lítio não deveriam ser carregadas logo após uma descarga, pois isso impede que entrem em modo repouso. Esta fase de repouso é importantíssima para reduzir as reações químicas nas células aumentando a sua vida útil. A recomendação será desligar a viatura em intervalos regulares (uma vez por semana) por um período longo (durante a noite ou dia) com um SOC baixo (20-30%).
Carregamento de acordo com as necessidades - A bateria nunca devia andar carregada no seu estado de carga máximo (100%) mas sim idealmente entre 30-70% para diminuirmos o efeito de envelhecimento das células. Pode limitar na viatura o estado de carga pretendido se assim achar adequado. Recomendamos uma carga a 100% apenas antes da utilização.

Dúvidas

Pergunta: O fabricante da minha viatura diz que a bateria dura N ciclos. Se eu recarregá-lo antes da carga acabar, vou estar a desperdiçar ciclos?
Resposta: Isso é mito, a gestão da bateria apenas considera um ciclo quando a soma das cargas atinge 100%. Por isso, podemos fazer várias pequenas cargas que não estamos a "gastar" um ciclo completo.

Pergunta: Faz mal deixar a noite toda a viatura à carga?
Resposta: Antigamente os sistemas de baterias não eram tão inteligentes e por isso podiam ter problemas de sobrecarga. Hoje em dia os sistemas estão avançados e o próprio carregador sabe quando a bateria está com o SOC máximo e deixa de carregar. Não tem que ter problema em deixar a carregar durante um longo período ( a não ser que seja num posto público, visto algum cobrarem depois do SOC 100% - posto de carregamento não é a mesma coisa que parque de estacionamento).

Pergunta: Existe algum problema em deixar a bateria descarregar completamente (0%)?
Resposta: As células de lítio em altura nenhuma devem ser completamente descarregadas, podem deixar de aceitar carga. No caso das baterias compostas por células em serie se alguma tiver problema vai afetar todas as outras, criando um problema grande para o utilizador.

Pergunta: Passaram alguns meses e a autonomia já não é a mesma de quando era novo, é normal?
Resposta: Aqui temos de ter algum cuidado com a resposta, pois a autonomia não depende só do estado da bateria mas também do utilizador. No caso de o utilizador fazer sempre o mesmo percurso à mesma velocidade também temos de ter em consideração a temperatura ambiente que afeta a bateria (pré-climatização pode ajudar neste situação) e em último caso podemos mesmo considerar o envelhecimento da bateria está a afetar a autonomia. Para casos de garantia devem ser sempre contactado o concessionário.