Princípios básicos das baterias
As células recarregáveis armazenam energia quimicamente e a liberam na forma de eletricidade, movimentando íons carregados entre dois eletrodos enquanto os elétrons percorrem um circuito externo. A maioria dos veículos elétricos usa células de íons de lítio; as células de íons de sódio seguem um princípio semelhante, mas utilizam materiais e íons portadores de carga diferentes.
Da célula à bateria
Uma célula é a menor unidade eletroquímica completa de armazenamento de energia. Uma única célula normalmente produz apenas alguns volts, por isso um veículo elétrico conecta muitas células para gerar a tensão e a energia exigidas pelo veículo.
As células podem ser agrupadas em módulos, que depois podem ser instalados em uma bateria. Algumas baterias mais recentes colocam as células diretamente na estrutura da bateria, sem carcaças de módulos convencionais.
A bateria completa também contém conexões elétricas, equipamentos de resfriamento ou aquecimento, sensores, contatores, fusíveis, um invólucro de proteção e um sistema de gerenciamento da bateria.
O capítulo Bateria e configuração explica como as células são conectadas e integradas fisicamente.
O que existe dentro de uma célula de bateria?
Uma célula convencional de íons de lítio tem cinco tipos principais de componentes:
- Um eletrodo negativo
- Um eletrodo positivo
- Um eletrólito
- Um separador
- Coletores de corrente para os dois eletrodos
O eletrodo negativo é comumente chamado de ânodo, enquanto o eletrodo positivo é chamado de cátodo. Esses nomes descrevem suas funções durante a descarga da bateria. A literatura sobre baterias normalmente continua usando os mesmos nomes ao tratar do carregamento.
Eletrodo negativo
O eletrodo negativo armazena íons de lítio quando a célula está carregada e os libera quando a célula descarrega.
A maioria das células atuais de íons de lítio para veículos elétricos usa grafite como principal material do eletrodo negativo. Algumas adicionam silício para aumentar a quantidade de lítio que o eletrodo consegue armazenar. O lítio fica retido no material do eletrodo, em vez de ser armazenado como lítio metálico solto.
Eletrodo positivo
O eletrodo positivo libera íons de lítio durante o carregamento e os recebe durante a descarga.
Seu material ativo é um dos principais fatores que definem a química da célula. As famílias de cátodos comuns em veículos elétricos incluem fosfato de ferro-lítio (LFP), níquel-manganês-cobalto (NMC) e níquel-cobalto-alumínio (NCA).
O capítulo Química e componentes das células explica esses materiais e seus compromissos com mais detalhes.
Eletrólito
O eletrólito permite que os íons se movimentem entre os dois eletrodos.
A maioria das células atuais para veículos elétricos usa um eletrólito líquido que contém um sal de lítio dissolvido em solventes orgânicos. Outros projetos podem usar eletrólitos em gel, semissólidos, poliméricos ou sólidos.
O eletrólito conduz íons dentro da célula. Os elétrons, por sua vez, devem percorrer o circuito elétrico externo.
Separador
O separador é uma membrana fina e porosa posicionada entre os eletrodos positivo e negativo.
Ele impede o contato físico direto entre os eletrodos, que poderia causar um curto-circuito interno. Seus poros microscópicos ainda permitem que os íons se desloquem pelo eletrólito.
Coletores de corrente
Os materiais ativos dos eletrodos são revestidos sobre lâminas condutoras finas chamadas coletores de corrente. Essas lâminas transportam elétrons entre os materiais dos eletrodos e os terminais da célula.
As células convencionais de íons de lítio normalmente usam uma lâmina de cobre no lado do eletrodo negativo e uma lâmina de alumínio no lado do eletrodo positivo. (Departamento de Energia dos EUA)
Como funciona a descarga
Quando a célula descarrega, os íons de lítio se deslocam do eletrodo negativo para o positivo através do eletrólito e do separador.
Os elétrons não conseguem seguir o mesmo caminho interno pelo separador. Eles percorrem o circuito externo, do terminal negativo ao positivo. Esse fluxo de elétrons fornece energia elétrica ao veículo. (Departamento de Energia dos EUA)
Durante a descarga:
- O eletrodo negativo libera íons de lítio no eletrólito
- Os íons atravessam o separador em direção ao eletrodo positivo
- Os elétrons deixam o eletrodo negativo através do coletor de corrente
- Os elétrons percorrem o circuito externo
- O eletrodo positivo recebe os íons e elétrons que retornam
Uma bateria de veículo elétrico fornece eletricidade em corrente contínua. A eletrônica de potência do veículo controla essa energia e a entrega ao motor elétrico e aos outros sistemas de alta tensão.
Como funciona o carregamento
O carregamento inverte o movimento dos íons e elétrons.
Uma fonte externa de energia remove elétrons do eletrodo positivo e os fornece ao eletrodo negativo através do circuito elétrico. Ao mesmo tempo, os íons de lítio atravessam o eletrólito, retornando do eletrodo positivo para o negativo.
Durante o carregamento:
- O eletrodo positivo libera íons de lítio
- Os íons atravessam o eletrólito e o separador
- Os elétrons são removidos do eletrodo positivo
- O sistema de carregamento fornece elétrons ao eletrodo negativo
- O eletrodo negativo armazena os íons de lítio que retornam
- A energia elétrica é convertida em energia química armazenada
O mesmo processo básico ocorre durante a frenagem regenerativa. O motor elétrico atua como gerador, convertendo parte da energia cinética do veículo em energia elétrica que pode ser devolvida à bateria.
A ilustração mostra o princípio de funcionamento compartilhado pelas células de íons de lítio e de sódio. As células de íons de lítio movimentam íons Li⁺ entre os eletrodos, enquanto as células de íons de sódio movimentam íons Na⁺. Seus materiais de eletrodo, tensão, eletrólito e construção detalhada são diferentes.
Tensão, corrente, potência e energia
Estes termos descrevem propriedades diferentes da bateria:
- Tensão (V) é a diferença de potencial elétrico que impulsiona a corrente por um circuito.
- Corrente (A) descreve a taxa de fluxo de carga elétrica.
- Potência (kW) descreve a rapidez com que a bateria fornece ou recebe energia.
- Capacidade (Ah) descreve quanta carga elétrica uma célula ou bateria consegue movimentar.
- Energia (kWh) descreve quanto trabalho elétrico a bateria pode fornecer.
A potência elétrica é calculada a partir da tensão e da corrente:
Potência (kW) = Tensão (V) × Corrente (A) ÷ 1,000
A energia nominal aproximada de uma bateria pode ser calculada a partir da tensão e da capacidade em ampères-hora:
Energia (kWh) ≈ Tensão nominal (V) × Capacidade (Ah) ÷ 1,000
Essa é uma aproximação porque a tensão das células muda continuamente com o estado de carga, a corrente, a temperatura e a química.
Uma bateria de alta energia consegue armazenar uma grande quantidade de energia, enquanto uma bateria de alta potência consegue fornecer ou aceitar essa energia rapidamente. O projeto de uma bateria frequentemente exige um compromisso entre densidade energética, potência, velocidade de carregamento, durabilidade, segurança, massa e custo.
Tensão das células e limites de operação
A tensão de uma célula resulta da diferença de potencial eletroquímico entre os materiais de seus eletrodos positivo e negativo.
A tensão não é constante. Ela muda conforme a célula carrega e descarrega, e o formato dessa variação depende da química.
Os valores nominais típicos incluem:
- Aproximadamente 3.2 V para uma célula LFP de íons de lítio
- Aproximadamente 3.6–3.7 V para muitas células NMC e NCA de íons de lítio
A tensão nominal é um valor representativo usado em cálculos e comparações. A tensão real da célula varia em uma faixa de operação mais ampla.
Cada projeto de célula tem limites superior e inferior de tensão. Carregar acima do máximo permitido ou descarregar abaixo do mínimo pode danificar a célula, acelerar a degradação ou criar um risco de segurança.
O sistema de gerenciamento da bateria monitora a tensão das células e mantém a bateria dentro de sua faixa de operação permitida. Ele também considera a corrente, a temperatura, o estado de carga e as diferenças entre as células.
Íons de lítio e íons de sódio
As células de íons de lítio e de sódio movimentam íons com carga positiva entre dois eletrodos, mas não são tecnologias intercambiáveis.
As células de íons de lítio movimentam íons de lítio, representados como Li⁺. As células de íons de sódio movimentam íons de sódio, representados como Na⁺. Os íons de sódio são maiores e interagem de modo diferente com os materiais dos eletrodos, portanto as células de íons de sódio exigem materiais e projetos desenvolvidos especificamente para o sódio.
A maioria das células de íons de lítio usa eletrodos negativos à base de grafite. As células de íons de sódio normalmente usam carbono duro. Os materiais do eletrodo positivo, a tensão, a densidade energética, o comportamento térmico, o custo e as cadeias de suprimentos também são diferentes.
O princípio de funcionamento é, portanto, semelhante, mas as características resultantes das células podem ser substancialmente diferentes.
Por que parte da energia se transforma em calor
O carregamento e a descarga não são perfeitamente eficientes. Toda célula tem resistência elétrica e eletroquímica, portanto parte da energia é convertida em calor.
A resistência e a geração de calor dependem de fatores que incluem:
- Química e construção da célula
- Temperatura da bateria
- Estado de carga
- Corrente de carregamento ou descarga
- Idade e condição da célula
Uma corrente mais alta normalmente produz mais calor. A baixa temperatura também pode aumentar a resistência e reduzir a capacidade da bateria de carregar ou fornecer potência.
Esses efeitos explicam por que um veículo elétrico precisa de gerenciamento térmico e por que a potência de carregamento, a frenagem regenerativa e a aceleração podem ser limitadas quando a bateria está muito fria, quente, quase cheia ou quase vazia.
Para uma explicação técnica mais aprofundada do funcionamento das células de íons de lítio, este vídeo do The Limiting Factor oferece uma boa demonstração visual.