Química e componentes das células

A química de uma bateria de veículo elétrico influencia a quantidade de energia que as células conseguem armazenar, a rapidez com que carregam, o comportamento com tempo frio, a forma como envelhecem e as matérias-primas e processos de fabrico necessários.

Designações como NMC, NCA e LFP descrevem normalmente o material do elétrodo positivo, e não a célula completa, pelo que duas baterias vendidas sob a mesma designação podem ter desempenhos muito diferentes; para uma explicação geral sobre tensão, corrente, fluxo de iões e armazenamento de energia, comece por Noções básicas sobre baterias.

A química é um sistema de célula completo

Uma célula de bateria recarregável é um sistema eletroquímico composto por vários elementos que interagem:

Um elétrodo positivo
Um elétrodo negativo
Um eletrólito
Um separador
Dois coletores de corrente
Interfaces protetoras formadas onde o eletrólito encontra os elétrodos

Os materiais dos dois elétrodos determinam o mecanismo básico de armazenamento e a tensão de funcionamento da célula. O eletrólito transporta iões entre ambos. O separador impede o contacto elétrico direto, permitindo simultaneamente a passagem dos iões, e os coletores de corrente conduzem os eletrões até aos terminais da célula.

Estas partes não podem ser otimizadas de forma independente. Um elétrodo positivo de tensão mais elevada pode necessitar de um eletrólito mais resistente à oxidação. Um elétrodo negativo rico em silício precisa de ligantes, aditivos e controlos mecânicos capazes de acomodar a expansão. Uma célula destinada ao carregamento rápido pode necessitar de elétrodos mais finos ou porosos do que uma concebida para maximizar a densidade energética.

O resultado prático é importante: a química anunciada é apenas o ponto de partida. A conceção das partículas, a espessura dos elétrodos, a formulação do eletrólito, o formato da célula, a gestão térmica, os limites de funcionamento e o software ajudam todos a determinar o desempenho da bateria num veículo elétrico.

Como é construído um elétrodo

Um elétrodo não é uma folha sólida de grafite, LFP ou NMC. É normalmente um revestimento compósito poroso aplicado sobre uma folha metálica fina.

Um revestimento de elétrodo convencional contém:

Material ativo, que armazena e liberta iões de lítio ou sódio
Aditivos condutores, geralmente materiais à base de carbono que criam percursos para os eletrões
Ligante, que mantém as partículas unidas e fixa o revestimento ao coletor de corrente
Poros, que permitem ao eletrólito chegar ao material ativo

As dimensões das partículas, as proporções dos materiais, a espessura, a densidade e a porosidade do revestimento influenciam o desempenho. O US Department of Energy descreve as películas dos elétrodos como combinações de material ativo, aditivo condutor e ligante e mostra como os componentes inativos e a carga do elétrodo afetam a densidade energética prática. (US Department of Energy)

Um elétrodo espesso e densamente compactado pode armazenar mais energia relativamente à massa do coletor de corrente, do separador e do invólucro. No entanto, os iões e o calor têm de percorrer uma distância maior. Isto pode limitar o carregamento rápido e o funcionamento a alta potência.

Um elétrodo mais fino ou poroso pode encurtar os percursos de transporte e reduzir os gradientes locais de concentração, mas utiliza normalmente mais material inativo por cada quilowatt-hora armazenado. A engenharia da célula é, por isso, um equilíbrio entre:

Densidade energética gravimétrica: energia por unidade de massa
Densidade energética volumétrica: energia por unidade de volume
Potência e capacidade de carregamento rápido
Geração de calor e refrigeração
Vida útil em ciclos e no calendário
Utilização de materiais, velocidade de produção e custo

É uma das razões pelas quais uma química com desempenho excecional numa pequena célula laboratorial não proporciona automaticamente a mesma vantagem numa célula automóvel de tamanho real.

Materiais do elétrodo negativo

O elétrodo negativo, habitualmente chamado ânodo, armazena iões de lítio ou sódio quando a célula está carregada. Influencia fortemente o carregamento rápido, o comportamento com tempo frio, a eficiência, a expansão e a degradação.

A maioria das células de iões de lítio dos veículos elétricos utiliza grafite ou um compósito de grafite e silício. As células de iões de sódio utilizam geralmente carbono duro. Outros sistemas de elétrodo negativo procuram vantagens específicas ou futuros aumentos da densidade energética.

Grafite

A grafite é o material dominante do elétrodo negativo nas baterias de iões de lítio dos veículos elétricos. A sua estrutura cristalina em camadas permite inserir iões de lítio entre folhas de carbono durante o carregamento e libertá-los durante a descarga.

Os fabricantes podem utilizar:

Grafite natural
Grafite sintética
Misturas de grafite natural e sintética

A grafite natural pode reduzir o consumo de energia e o custo na produção do material, enquanto a grafite sintética proporciona aos fabricantes maior controlo sobre a pureza, a forma das partículas e a consistência. São utilizadas misturas e revestimentos para ajustar a eficiência, a durabilidade e o desempenho de carregamento.

A grafite é uma tecnologia madura e pode permanecer estável durante muitos ciclos, mas tem uma capacidade de armazenamento limitada. Também é vulnerável à deposição de lítio metálico quando o lítio chega à sua superfície mais depressa do que consegue ser inserido na estrutura. Uma temperatura baixa da célula, uma corrente de carregamento elevada e um estado de carga alto aumentam esse risco.

A deposição consome lítio útil e pode acelerar o envelhecimento. Uma deposição intensa ou repetida também pode criar depósitos que aumentam o risco de curto-circuito interno. É por isso que um veículo elétrico pode reduzir a potência de carregamento quando a bateria está fria ou quase cheia.

Ânodos compósitos de silício e grafite

O silício consegue armazenar muito mais lítio por grama do que a grafite, pelo que a sua adição é uma das principais formas de os fabricantes tentarem aumentar a densidade energética das células sem substituir todo o sistema de produção de iões de lítio.

A dificuldade é a expansão. O silício totalmente litiado pode expandir-se cerca de 300%, criando esforços capazes de fissurar partículas, quebrar ligações elétricas e danificar repetidamente a camada protetora da superfície. Um estudo de 2024 publicado na Nature Communications descreve esta expansão e os riscos resultantes para o elétrodo e o separador. (Nature Communications)

Por isso, a maioria dos «ânodos de silício» automóveis não é de silício puro. São elétrodos de grafite que contêm uma quantidade controlada de silício ou de um material à base de silício. A grafite proporciona uma estrutura estável e o silício acrescenta capacidade.

O aumento da percentagem de silício pode melhorar a densidade energética, mas também dificulta o controlo da expansão, da perda de lítio no primeiro ciclo, da estabilidade da interface e do fabrico. A célula pode necessitar de:

Ligantes elásticos
Aditivos do eletrólito que formem uma camada superficial mais estável
Partículas de silício elaboradas ou compósitos de silício-carbono
Lítio adicional para compensar as perdas iniciais
Pressão e limites de funcionamento cuidadosamente controlados

A investigação e o desenvolvimento industrial avançam de pequenas adições de silício para elétrodos dominados por silício. No entanto, uma percentagem elevada de silício não prova, por si só, que uma célula terá alta densidade energética ou longa vida. O resultado depende da conceção completa do elétrodo e da célula. A investigação sobre células práticas com silício descreve a expansão, as interfaces instáveis, o inchaço do elétrodo e o esgotamento do eletrólito como desafios interligados. (Nature Communications)

Carbono duro

O carbono duro é o principal material de elétrodo negativo das células de iões de sódio. É um carbono não grafitizável, com camadas desordenadas, defeitos e poros que conseguem armazenar o ião de sódio, de maiores dimensões, mais eficazmente do que a grafite convencional.

O carbono duro pode ser produzido a partir de vários precursores ricos em carbono, incluindo resinas sintéticas e materiais derivados de biomassa. A estrutura dos poros, os defeitos, a área superficial e o tratamento térmico influenciam fortemente a capacidade, a eficiência do primeiro ciclo e o desempenho a diferentes taxas.

O mecanismo de armazenamento é mais complexo do que a simples inserção entre camadas perfeitamente ordenadas. O sódio pode ser armazenado em defeitos, entre camadas de carbono desordenadas e em nanoporos. A investigação continua a analisar o contributo de cada mecanismo em condições práticas. (Nature Communications)

O carbono duro não é automaticamente barato apenas porque a matéria-prima é abundante. A purificação, o tratamento térmico, o rendimento, a consistência, a perda inicial de sódio e a densidade do elétrodo influenciam o custo e a densidade energética da célula acabada.

Titanato de lítio

O titanato de lítio, geralmente abreviado como LTO, substitui a grafite por óxido de titanato de lítio no lado do elétrodo negativo.

O LTO funciona a um potencial superior ao da grafite. Isto reduz muito a tendência para a deposição de lítio e permite alta potência, carregamento rápido e longa vida útil em ciclos. A sua estrutura também se altera muito pouco à medida que o lítio entra e sai.

O compromisso é uma tensão inferior da célula e, por consequência, uma densidade energética menor quando combinado com um determinado elétrodo positivo. O LTO é, por isso, atrativo quando a potência, a durabilidade, o funcionamento a baixa temperatura ou os ciclos frequentes importam mais do que a autonomia máxima num volume limitado da bateria.

O US Department of Energy identifica a grafite ou o carbono como o ânodo predominante dos iões de lítio e o LTO como uma alternativa utilizada em algumas aplicações de alta potência ou longa vida em ciclos. (US Department of Energy)

Lítio metálico

Um elétrodo negativo de lítio metálico armazena diretamente o lítio como metal, em vez de o colocar num suporte de grafite ou silício. A remoção do material de suporte poderia aumentar substancialmente a densidade energética ao nível da célula.

O problema central é a reversibilidade. O lítio tem de ser depositado e removido uniformemente durante cada ciclo. Depósitos irregulares, reações repetidas com o eletrólito, lítio inativo, alterações de volume e danos no separador podem reduzir a vida útil e criar riscos de segurança. O US Department of Energy descreve as células de lítio metálico como uma via para baterias menores e mais leves, assinalando simultaneamente a capacidade limitada de recarga e os desafios de segurança. (US Department of Energy)

Lítio metálico não significa estado sólido. Uma célula de lítio metálico pode utilizar um eletrólito líquido, em gel, polimérico ou sólido. Uma célula de estado sólido pode utilizar lítio metálico, mas também pode utilizar outro elétrodo negativo. Estes termos descrevem partes diferentes da célula.

Para conhecer os atuais programas de desenvolvimento e anúncios comerciais, consulte Novidades na tecnologia de baterias.

Materiais do elétrodo positivo

O elétrodo positivo, habitualmente chamado cátodo, é a origem da maioria das designações conhecidas das químicas de iões de lítio. A sua estrutura e composição influenciam fortemente a tensão, a capacidade, a estabilidade térmica, o custo dos materiais e o envelhecimento da célula.

O US Department of Energy enumera LFP, NMC, NCA, LMO e vários outros materiais como classes distintas de elétrodos positivos de iões de lítio. (US Department of Energy)

NMC ou NCM

NMC e NCM significam ambos óxido de lítio, níquel, manganês e cobalto. A ordem das letras varia entre convenções de nomenclatura; descrevem a mesma família geral de materiais de óxido em camadas.

Números como 111, 532, 622 e 811 descrevem as proporções relativas aproximadas de níquel, manganês e cobalto. O NMC 811, por exemplo, contém aproximadamente oito partes de níquel, uma de manganês e uma de cobalto.

Nesta família:

O níquel contribui fortemente para a capacidade e, portanto, para a densidade energética.
O manganês pode apoiar a estabilidade estrutural e térmica e reduzir a dependência do níquel e do cobalto.
O cobalto ajuda a estabilizar a estrutura em camadas e apoia o comportamento eletrónico e industrial, mas é caro e apresenta preocupações na cadeia de abastecimento.

O aumento do teor de níquel pode elevar a capacidade e reduzir a utilização de cobalto, mas também aumenta a sensibilidade à humidade, à alta tensão, às reações superficiais e ao calor. Os fabricantes respondem com revestimentos das partículas, dopantes, gradientes de concentração, aditivos do eletrólito e um controlo mais rigoroso da produção e do funcionamento.

A explicação da LG Energy Solution sobre NCM também apresenta um maior teor de níquel como uma via para mais capacidade, descrevendo simultaneamente a estabilidade como um desafio de engenharia. (LG Energy Solution)

A designação «NMC» abrange, por isso, uma ampla gama de desempenhos. Uma célula NMC antiga com pouco níquel e uma célula NMC moderna rica em níquel não devem ser consideradas equivalentes.

NCA

NCA significa óxido de lítio, níquel, cobalto e alumínio. Tal como o NMC rico em níquel, é um material de óxido em camadas desenvolvido para elevada energia específica e alta potência.

O níquel proporciona grande parte da capacidade, o cobalto apoia a estrutura em camadas e o comportamento eletrónico e o alumínio ajuda a estabilizar o material. O NCA é normalmente combinado com um elétrodo negativo de grafite ou grafite e silício.

O NCA pode permitir células de alta energia para veículos elétricos, mas o resultado depende da engenharia das partículas, da estabilidade do eletrólito, do controlo térmico e de limites de tensão conservadores. Não é intrinsecamente «melhor» do que o NMC; cada família pode ser otimizada para prioridades diferentes.

NCMA

O NCMA contém níquel, cobalto, manganês e alumínio. Combina os quatro metais num elétrodo positivo de óxido em camadas, normalmente com um elevado teor de níquel.

O objetivo é conservar a vantagem de capacidade do material rico em níquel e utilizar manganês e alumínio para melhorar a estabilidade e reduzir o teor de cobalto necessário. A LG Energy Solution descreve o alumínio como um contributo para a potência e a estabilidade do seu material NCMA. (LG Energy Solution)

Tal como acontece com NMC e NCA, a sigla não revela a composição exata. As proporções dos metais, os revestimentos, os dopantes, a estrutura das partículas, a tensão superior e a qualidade de fabrico continuam a ser importantes.

LFP

LFP significa fosfato de ferro e lítio. Tem uma estrutura cristalina olivina baseada em fortes ligações de fosfato e não contém níquel nem cobalto.

As suas principais vantagens são:

Elevada estabilidade térmica e química
Potencial de longa vida útil em ciclos
Boa capacidade de potência quando devidamente concebido
Menor exposição às cadeias de abastecimento de níquel e cobalto

A sua principal limitação é uma densidade energética ao nível da célula inferior à dos melhores sistemas de óxido em camadas ricos em níquel. A menor tensão de funcionamento e a menor densidade do material significam que uma bateria LFP pode necessitar de mais volume ou massa de células para a mesma energia.

O LFP também tem uma curva de tensão relativamente plana em grande parte do intervalo útil do estado de carga. Isto dificulta a estimativa do estado de carga a partir da tensão, pelo que o sistema de gestão da bateria depende fortemente da medição da corrente, de modelos e de recalibração ocasional.

O carregamento a baixa temperatura pode ser difícil porque o elétrodo negativo continua normalmente a ser de grafite. O aquecimento da bateria, a conceção das células e os controlos de carregamento são, por isso, tão importantes como o próprio elétrodo positivo LFP.

A reputação de durabilidade do LFP não significa que seja imune ao envelhecimento no calendário nem que todas as baterias LFP devam permanecer com 100% de estado de carga. Os proprietários devem seguir as orientações de carregamento do fabricante; algumas recomendações de carregamento completo periódico destinam-se em parte a ajudar na calibração do estado de carga.

LMFP

LMFP significa fosfato de ferro, manganês e lítio. Modifica o material LFP substituindo parte do ferro por manganês.

O contributo do manganês aumenta a tensão em parte da curva de descarga, proporcionando ao LMFP a possibilidade de uma densidade energética superior à do LFP, mantendo uma estrutura à base de fosfato e evitando níquel e cobalto.

O material também introduz desafios. Estes incluem menor condutividade elétrica e iónica intrínseca, dissolução do manganês e necessidade de controlar a composição e os revestimentos das partículas. Uma análise recente do desenvolvimento do LMFP aborda o benefício da tensão superior juntamente com as limitações de condutividade, difusão, densidade e relacionadas com o manganês. (Engineering)

O LMFP pode ser utilizado como material independente do elétrodo positivo ou misturado com outro material. A vantagem real depende da quantidade de manganês utilizada, da janela de tensão, da densidade do elétrodo, da vida em ciclos e da conceção da célula completa.

LMO e elétrodos positivos mistos

LMO refere-se normalmente a óxido de lítio e manganês com estrutura espinela. Pode proporcionar elevada potência e bom comportamento térmico, mas, isoladamente, oferece geralmente menor densidade energética e pode sofrer dissolução de manganês e perda de capacidade, sobretudo a temperaturas elevadas.

As células automóveis utilizam frequentemente misturas de LMO com NMC. Numa mistura deste tipo, o LMO pode apoiar o fornecimento de potência enquanto o NMC contribui para a capacidade energética. Um elétrodo misto não é uma nova categoria eletroquímica: é uma combinação deliberada para equilibrar desempenho, vida útil, custo e segurança.

São possíveis outras misturas. Os fabricantes podem misturar materiais dentro de um elétrodo, revestir um material com outro ou variar a composição do centro de uma partícula até à superfície. Uma designação química curta não consegue representar todos estes pormenores.

Química das célu…136 tokens truncated…quel e cobalto em várias conceções comuns. No entanto, a abundância do material não garante, por si só, uma bateria mais barata. O rendimento das células, a densidade dos elétrodos, a escala de produção, a vida útil, os componentes adicionais da bateria e a maturidade da cadeia de abastecimento influenciam todos o custo.

Elétrodo negativo de iões de sódio

A grafite convencional armazena lítio de forma eficaz, mas não acomoda bem o sódio nos eletrólitos normalmente utilizados nas células comerciais de iões de sódio. O carbono duro é, por isso, a opção prática habitual.

A estrutura e a química superficial do carbono duro têm de ser ajustadas para:

Capacidade reversível de sódio
Elevada eficiência do primeiro ciclo
Densidade suficiente do elétrodo
Formação de uma interface estável
Transporte rápido de iões
Produção consistente e escalável

A perda no primeiro ciclo é especialmente importante porque o sódio consumido durante a formação da interface deixa de estar disponível para transportar energia nos ciclos seguintes.

Famílias de elétrodos positivos de iões de sódio

O desenvolvimento dos iões de sódio inclui três grandes famílias de elétrodos positivos:

Óxidos em camadas, que podem proporcionar capacidade e tensão relativamente elevadas, mas podem ser sensíveis ao ar, à humidade ou a alterações estruturais
Compostos polianiónicos, que utilizam estruturas estáveis, como fosfatos ou sulfatos, e podem dar prioridade à durabilidade, tensão ou estabilidade térmica
Análogos do azul da Prússia, que têm estruturas cristalinas abertas favoráveis ao transporte rápido de sódio, mas exigem controlo rigoroso do teor de água, das lacunas e da densidade do material

A literatura académica identifica os óxidos em camadas, os compostos polianiónicos e os análogos do azul da Prússia como as principais famílias de cátodos de iões de sódio. (Nature Communications)

Estas famílias não devem ser discutidas como uma única «química de sódio» universal. Tal como diferem as células de iões de lítio NMC e LFP, as células de iões de sódio podem ser concebidas para diferentes equilíbrios entre energia, potência, funcionamento com tempo frio, vida útil e custo.

Onde se enquadram os iões de sódio

As atuais células de iões de sódio têm geralmente menor densidade energética do que as melhores células de iões de lítio para veículos elétricos. Isto torna-as menos atrativas quando a máxima autonomia tem de caber na bateria mais pequena e leve possível.

Podem ser adequadas para:

Veículos elétricos mais pequenos ou económicos
Veículos em que a autonomia extrema não é prioritária
Baterias híbridas que combinam tipos de células complementares
Armazenamento estacionário e outras aplicações menos limitadas pela massa e pelo volume

O comportamento com tempo frio pode ser uma vantagem relativa de algumas conceções de iões de sódio, mas não é garantido pela palavra «sódio». Os materiais dos elétrodos, o eletrólito, a resistência da célula, o sistema térmico e os limites de funcionamento continuam a determinar o desempenho real.

A disponibilidade comercial desenvolve-se rapidamente. Para manter este capítulo de base duradouro, os produtos atuais e as alegações dos fornecedores são apresentados em Novidades na tecnologia de baterias.

Eletrólito

O eletrólito transporta iões entre os elétrodos, mas deve bloquear os eletrões. A maioria das atuais células de iões de lítio para veículos elétricos utiliza um sal de lítio dissolvido em solventes orgânicos, juntamente com pequenas quantidades de aditivos.

A formulação influencia:

Condutividade iónica
Comportamento a baixa e alta temperatura
Desempenho de carregamento rápido
Geração de gases
Estabilidade com potenciais altos e baixos dos elétrodos
Formação das interfaces protetoras dos elétrodos
Inflamabilidade e resposta a condições abusivas

Um eletrólito que funcione bem com grafite e LFP pode não ser adequado a um elétrodo positivo rico em níquel de alta tensão ou a um elétrodo negativo dominado por silício. Os fabricantes ajustam os sais, os solventes, os pacotes de aditivos e a concentração aos elétrodos e à janela de funcionamento.

As células de iões de sódio utilizam sais com sódio e solventes compatíveis. As suas formulações resolvem muitos dos mesmos problemas, mas têm de formar interfaces estáveis em materiais de elétrodo diferentes.

Eletrólitos líquidos, em gel, poliméricos e sólidos

Estado sólido descreve a arquitetura do eletrólito, e não a química do elétrodo positivo. Uma célula de estado sólido pode continuar a utilizar um elétrodo positivo do tipo NMC e pode utilizar lítio metálico, silício, grafite ou outro elétrodo negativo.

A substituição de um eletrólito líquido inflamável pode criar vantagens de segurança e acondicionamento, mas os eletrólitos sólidos introduzem outros desafios:

Manter contacto íntimo entre camadas sólidas
Impedir fissuras e vazios quando os elétrodos mudam de volume
Obter elevada condutividade iónica numa ampla gama de temperaturas
Controlar a resistência nas interfaces dos materiais
Fabricar camadas finas e sem defeitos à escala automóvel

Algumas conceções chamadas «de estado sólido» conservam uma pequena quantidade de líquido ou gel. Termos como semissólido, quase sólido e estado sólido nem sempre são utilizados de forma consistente, pelo que a construção é mais importante do que a designação comercial.

SEI e CEI: as interfaces que permitem o funcionamento da célula

O eletrólito não é perfeitamente estável aos potenciais de funcionamento dos elétrodos. Durante o carregamento inicial, parte do eletrólito decompõe-se e forma finas camadas de reação nas suas superfícies.

A camada no elétrodo negativo é a interfase de eletrólito sólido, ou SEI. Uma camada relacionada no elétrodo positivo é habitualmente chamada interfase cátodo-eletrólito, ou CEI.

Uma interface útil tem de:

Conduzir iões de lítio ou sódio
Bloquear a maior parte do fluxo de eletrões
Limitar a continuação da decomposição do eletrólito
Permanecer mecânica e quimicamente estável durante os ciclos

A criação da SEI consome algum lítio ou sódio ativo, o que provoca parte da perda de capacidade inicial da célula. Se a interface fissurar ou se dissolver, são consumidos mais eletrólito e iões ativos para a reparar.

Isto é particularmente difícil com o silício porque o elétrodo negativo muda de volume. Também é exigente com tensões elevadas do elétrodo positivo, nas quais a oxidação do eletrólito e a dissolução dos metais de transição podem danificar ambos os lados da célula. Os aditivos do eletrólito, os revestimentos, os procedimentos de formação e os limites de funcionamento são, por isso, partes fundamentais da química, embora não apareçam na sigla. (Nature Communications)

Separador

O separador é uma membrana fina e eletricamente isolante entre os elétrodos positivo e negativo. Os seus poros retêm eletrólito e permitem a passagem dos iões, enquanto a membrana impede o contacto direto entre os elétrodos.

Os separadores comuns de iões de lítio utilizam polietileno, polipropileno ou combinações multicamada. Os revestimentos cerâmicos podem melhorar a resistência térmica, a molhabilidade, a resistência mecânica ou a estabilidade dimensional.

Alguns separadores poliméricos são concebidos para que os poros fechem quando a temperatura sobe, aumentando muito a resistência e abrandando a reação eletroquímica. Este comportamento de encerramento pode acrescentar proteção, mas não constitui um sistema de segurança completo. Se o separador continuar a encolher, rasgar, for perfurado ou ficar danificado antes de o encerramento poder ajudar, ainda pode ocorrer um curto-circuito interno. A investigação sobre separadores de iões de lítio descreve tanto o encerramento como o risco de colapso a temperaturas superiores. (ACS Omega)

As propriedades do separador também influenciam o desempenho normal. A espessura, a porosidade, a tortuosidade, a molhagem pelo eletrólito, a resistência à perfuração e a uniformidade do revestimento afetam a resistência, o carregamento, a densidade energética, a qualidade de produção e a segurança.

Coletores de corrente

Os coletores de corrente são folhas metálicas finas que transportam eletrões entre os revestimentos dos elétrodos e os terminais da célula.

Nas células de iões de lítio convencionais:

O elétrodo negativo é normalmente revestido sobre folha de cobre
O elétrodo positivo é normalmente revestido sobre folha de alumínio

O cobre é utilizado no lado da grafite porque o alumínio pode formar uma liga com o lítio ao baixo potencial de um elétrodo de grafite carregado. O alumínio é mais leve e permanece estável ao potencial mais elevado do elétrodo positivo.

O LTO funciona a um potencial superior e pode utilizar alumínio no lado do elétrodo negativo, como assinala a avaliação dos iões de lítio do US Department of Energy. (US Department of Energy)

A espessura do coletor é outro compromisso. Uma folha mais fina reduz a massa inativa e pode melhorar a densidade energética, mas tem de resistir ao revestimento, secagem, calandragem, enrolamento ou empilhamento, soldadura das patilhas e anos de ciclos.

Comparação dos principais sistemas de células para veículos elétricos

Nenhuma família de células lidera em todos os critérios. Os perfis seguintes descrevem tendências comuns, não propriedades garantidas.

Grafite ou silício-grafite com NMC, NCA ou NCMA

Vantagens típicas: elevada densidade energética, boa capacidade de potência e amplo desenvolvimento automóvel.

Limitações típicas: maior dependência do níquel e, por vezes, do cobalto; exigências mais rigorosas de gestão térmica, controlo da tensão e estabilidade da interface à medida que aumentam o teor de níquel e a tensão da célula.

Esta combinação é atrativa quando a autonomia e a eficiência do acondicionamento são prioritárias. O silício pode acrescentar capacidade, mas mais silício também aumenta a expansão e os desafios da interface.

Grafite com LFP

Vantagens típicas: estabilidade térmica, potencial de longa vida útil em ciclos, boa capacidade de potência e ausência de níquel e cobalto no elétrodo positivo.

Limitações típicas: menor densidade energética ao nível da célula e uma curva de tensão plana que dificulta a estimativa do estado de carga.

O LFP pode ser muito competitivo ao nível da bateria quando uma integração Cell-to-Pack eficaz compensa parte da diferença de densidade energética ao nível da célula.

Grafite com LMFP

Vantagens típicas: potencial para mais energia do que o LFP, mantendo uma estrutura de fosfato e evitando níquel e cobalto.

Limitações típicas: condutividade, estabilidade do manganês e uma base de fabrico em grande escala menos madura do que a do LFP estabelecido.

A sua posição depende de os fabricantes conseguirem concretizar a vantagem de tensão sem sacrificar a vida útil, a eficiência ou o custo.

LTO com um elétrodo positivo de iões de lítio

Vantagens típicas: carregamento rápido, alta potência, baixo risco de deposição e potencial de vida útil muito longa em ciclos.

Limitações típicas: baixa tensão e baixa densidade energética da célula, que aumentam a massa e o volume da bateria para uma determinada energia armazenada.

Este sistema adapta-se melhor a ciclos de utilização exigentes do que a veículos elétricos de passageiros de grande autonomia nos quais a eficiência do acondicionamento é fundamental.

Carbono duro com um elétrodo positivo de iões de sódio

Vantagens típicas: possível utilização de materiais abundantes, menor dependência do lítio e do níquel em muitas conceções e desempenho promissor de potência ou com tempo frio em células selecionadas.

Limitações típicas: menor densidade energética do que as melhores células de iões de lítio, perda de sódio no primeiro ciclo e um ecossistema de produção em desenvolvimento.

A família exata do cátodo faz uma grande diferença, pelo que «iões de sódio», por si só, não é uma especificação suficiente.

Lítio metálico e arquiteturas de estado sólido

Vantagens típicas: potencial para maior densidade energética e, em algumas conceções de eletrólito sólido, características diferentes de segurança e acondicionamento.

Limitações típicas: resistência das interfaces, deposição irregular do lítio, gestão da pressão, durabilidade, requisitos de temperatura e fabrico difícil em grande escala.

Estes dois conceitos sobrepõem-se, mas não são equivalentes. Qualquer comparação deve identificar ambos os elétrodos, o tipo de eletrólito, as condições de ensaio, a dimensão da célula, a capacidade conservada e se os valores se aplicam a um material, uma célula laboratorial ou uma célula à escala automóvel.

O que a química significa para o comprador de um veículo elétrico

A química influencia um veículo elétrico, mas não prevê, por si só, toda a experiência de utilização.

Autonomia e acondicionamento

Uma densidade energética superior das células pode proporcionar mais autonomia para uma determinada massa e volume da bateria. No entanto, a capacidade útil, a estrutura da bateria, o equipamento de refrigeração, a proteção em colisões, a eficiência do veículo e as reservas também são importantes.

Uma célula de menor energia bem integrada pode, por isso, produzir uma bateria competitiva, enquanto uma célula de alta energia pode perder parte da vantagem através de refrigeração mais pesada ou limites de funcionamento conservadores.

Carregamento

O carregamento rápido depende da capacidade do elétrodo negativo para aceitar iões, dos limites de transporte do elétrodo positivo, da espessura dos elétrodos, da resistência interna, da temperatura, do estado de carga e da estratégia de gestão da bateria.

A química ajuda a definir os limites, mas o desempenho de carregamento da bateria e o sistema de pré-condicionamento revelam mais sobre um veículo elétrico específico. Dois automóveis com LFP ou NMC podem ter tempos de carregamento muito diferentes.

Tempo frio

Uma temperatura baixa abranda o transporte dos iões e aumenta a resistência. Também aumenta o risco de deposição de lítio durante o carregamento de células com grafite.

Algumas químicas e eletrólitos toleram melhor o frio do que outros, mas o aquecimento da bateria e o software podem ser mais importantes do que a designação química. Compare o comportamento real do veículo, incluindo se consegue pré-aquecer a bateria antes do carregamento rápido.

Durabilidade

A vida em ciclos depende da profundidade de descarga, da taxa de carregamento, da temperatura da célula, do estado de carga médio, do tempo passado perto dos limites de tensão e da janela útil definida pelo fabricante.

Uma química com longa vida em ciclos no laboratório pode envelhecer mal numa bateria quente mantida com um estado de carga elevado. Inversamente, reservas conservadoras e refrigeração eficaz podem ajudar uma química mais reativa a durar muitos anos. Consulte Degradação da bateria para conhecer os mecanismos de envelhecimento e Garantia da bateria para a proteção oferecida ao proprietário.

Segurança

Alguns materiais do elétrodo positivo são termicamente mais estáveis do que outros, mas a segurança do veículo não pode ser classificada apenas pela sigla do cátodo. A qualidade das células, a conceção do separador, a quantidade de eletrólito, as barreiras contra propagação, os sensores, a refrigeração, a proteção elétrica, a estrutura de colisão e o software contribuem todos.

A estrutura estável de fosfato do LFP é uma vantagem, mas não torna impossível danificar ou incendiar uma bateria. As células ricas em níquel exigem controlos mais rigorosos, mas uma bateria bem concebida consegue gerir esses riscos.

Custo e exposição aos materiais

O LFP e várias conceções de iões de sódio evitam níquel e cobalto, enquanto os óxidos em camadas ricos em níquel utilizam materiais que exigem mais processamento em troca de energia elevada. No entanto, o custo da bateria também inclui o rendimento das células, a utilização da fábrica, a estrutura da bateria, a eletrónica, a refrigeração, o risco de garantia e a escala de produção.

A composição das matérias-primas é, por isso, uma parte do custo, não a resposta completa.

A mesma designação pode ocultar grandes diferenças

Ao comparar dois veículos elétricos, vá além de «LFP» ou «NMC» e pergunte:

Quais são as capacidades bruta e útil da bateria?
Que autonomia proporciona o veículo completo?
Como é a curva de carregamento em condições quentes e frias?
O veículo permite pré-condicionar a bateria?
Qual é a dimensão das reservas superior e inferior?
Como controla o fabricante a temperatura?
Que garantia e limiar de degradação da bateria se aplicam?
O desempenho alegado foi medido ao nível da célula ou da bateria?

A química explica por que motivo existem determinados compromissos. A célula, a bateria e o veículo acabados determinam como esses compromissos aparecem na utilização diária.

Para ver como estes materiais são acondicionados e ligados, continue para Formatos de células e Bateria e configuração.