Léo Ramos Chaves
Ensaios de resistência das baterias lítio-íon do CPqD usadas em veículos elétricosLéo Ramos ChavesConsórcios de pesquisa da Ásia, Europa e Estados Unidos, formados por fabricantes de baterias, montadoras de automóveis, universidades e centros de inovação, travam uma corrida na busca de uma bateria que apresente maior densidade de energia (quantidade de energia armazenada por seu volume), tenha vida útil mais extensa, possua menor custo e seja mais segura. Hoje, o valor da bateria corresponde a até 50% do preço do automóvel, mas seu custo vem caindo de forma consistente. O preço da bateria, em termos de sua capacidade de armazenamento, está próximo de US$ 300 por quilowatt-hora (kWh) – cerca de R$ 960 por kWh. Há sete anos era três vezes maior.
Paralelamente, ela tem se tornado mais eficiente do ponto de vista energético, proporcionando maior autonomia aos veículos – quanto mais energia a bateria acumula, maior quilometragem o veículo pode rodar. Sua densidade energética mais do que triplicou nos últimos sete anos, atingindo cerca de 350 watts-hora por litro (ver infográfico). Um watt-hora (Wh) corresponde à potência de 1 watt por uma hora e é a unidade usada para medição de energia elétrica, ao passo que litro (L) refere-se ao volume da bateria.
O estado da arte em termos de bateria são as de lítio-íon, similares às usadas em celulares e notebooks. “A grande vantagem dessas baterias é sua alta densidade energética. Por ser um metal leve, o lítio é capaz de armazenar maior quantidade de energia em espaços menores”, destaca a química Maria de Fátima Rosolem, pesquisadora da Área de Sistema de Energia do CPqD. “Além disso, tem um elevado eletropotencial, isto é, a capacidade de ganhar ou perder elétrons, que é o princípio básico da geração de corrente elétrica”, pontua.
As baterias são constituídas por uma ou várias células de lítio-íon interligadas num mesmo conjunto. Os tipos mais comuns são as cilíndricas, parecidas a pilhas pequenas, medindo 18 milímetros (mm) de diâmetro por 65 mm de altura. O segundo modelo, conhecido como pouch, tem formato plano e achatado. Há, por fim, as prismáticas, que lembram uma caixa retangular do tamanho de um livro. Como a célula tem uma tensão média de 3,6 volts (V) e um carro elétrico precisa de 300 a 600 V para funcionar, centenas ou milhares de células de lítio são usadas na bateria para gerar energia . Os modelos da Tesla, por exemplo, têm 7,4 mil células cilíndricas, empacotadas em módulos menores e acomodadas no assoalho do veículo.
O problema do lítio é sua segurança de operação. “As baterias trabalham bem numa temperatura de até 25 graus Celsius. Acima disso, é preciso mantê-las refrigeradas. O superaquecimento pode causar sua explosão”, afirma o engenheiro eletricista Celso Novais, do Programa Veículo Elétrico da Itaipu Binacional. Para contornar essa limitação, a bateria conta com um circuito eletrônico que faz seu gerenciamento e a mantém funcionando em condições adequadas de temperatura, corrente e tensão.
O desbalanceamento da bateria, que ocorre quando suas células trabalham em ritmo diferente, também diminui seu poder de ciclagem (número possível de descargas e recargas) e sua vida útil, hoje em torno de oito anos. “Após esse período, elas perdem até 30% da capacidade inicial. Mas podem ser reaproveitadas em outras aplicações, como armazenamento de energia fotovoltaica em residências e centrais de telecomunicações”, sustenta Maria de Fátima. “Como não contêm metais pesados, podem ser recicladas.” Quando as baterias se esgotam, os donos de carros elétricos precisam repô-las ou trocar de veículo, dado que a bateria representa metade de seu valor. Este é mais um fator a encarecer os carros elétricos.
As baterias modernas empregam óxidos metálicos de lítio na confecção da placa positiva (cátodo) e grafite na negativa (ânodo) (ver infográfico). “A composição das placas é o elemento-chave para melhorar o desempenho da bateria”, diz Maria de Fátima. Cientistas buscam identificar novos metais e a melhor combinação de lítio com outros materiais para otimizar sua densidade energética. Duas apostas são as baterias de zinco-ar e lítio-ar, que conseguem armazenar quase duas vezes mais energia do que os modelos de lítio-íon, mas ainda estão em estágio de desenvolvimento.
Recarga por indução
Em maio deste ano, a fabricante de chips para smartphones Qualcomm apresentou uma tecnologia de carregamento de bateria com o carro em movimento. Batizada de Dynamic Electric Vehicle Charging System (DEVC), ela fornece energia para a bateria por indução (sem que haja contato entre o carro e o carregador, instalado no solo) durante o deslocamento do veículo sobre um pavimento especial, dotado de uma espécie de trilho eletrificado. A vantagem do DEVC é que os carros poderão ter baterias menores, sem perda de autonomia.
No Brasil, são poucos os estudos básicos sobre a química de baterias para carros elétricos. O mais comum são testes de tecnologias prontas e pesquisas incrementais envolvendo células já existentes. “Fazemos estudos de caracterização e envelhecimento em células e desenvolvemos baterias completas, com células de lítio-íon comerciais, porém projetando a eletrônica de controle, o sistema de refrigeração e o empacotamento mecânico”, conta o pesquisador Raul Beck, do CPqD.
Em Foz do Iguaçu (PR), a equipe do Programa Veículo Elétrico de Itaipu conseguiu criar uma bateria de sódio, níquel e cloro, 100% reciclável. “Nosso modelo tem características equivalentes à de lítio em termos de capacidade de armazenamento e potência”, explica Celso Novais. “No entanto, ela tem o formato de um monobloco, que não pode ser dividido em módulos menores. Por isso, é mais adequada a veículos elétricos maiores, como ônibus, trens e caminhões.”
O projeto de nacionalização da bateria de sódio de Itaipu teve início em 2012. “Agora, estamos trabalhando com empresas suíças e alemãs em uma versão avançada do modelo. Caracterizada por células planas e compactas, poderá ser dividida em módulos menores. Nossa expectativa é de que seja mais competitiva do que as baterias à base de lítio e que comece a ser produzida em 2019”, declara Novais.
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