Sistemas de Bateria para Veículos Elétricos: Projeto, Desenvolvimento e Tendências Emergentes

Introdução:

Baterias EV ou baterias de veículos elétricos são sistemas de bateria construídos para veículos elétricos. Veículos elétricos não são novidade; já temos motores elétricos e infraestrutura correspondente — o que falta? Por que não dominaram o mundo? A razão é a bateria. Mais precisamente: o sistema de bateria EV. Neste artigo, discutiremos fundamentos e requisitos dos sistemas de bateria EV.

Ao pensar em baterias, vêm à mente pilhas pequenas de dispositivos ou a do seu Android/iOS. Mas estamos falando de um veículo. Esse tamanho não serve. Precisamos de bateria maior para mover até o veículo mais básico — mais carga, mais potência, mais autonomia, mais armazenamento. E não dá para esperar bateria desse tamanho ser leve. Peso na lista. Condições ambientais? Entendeu o ponto. Muitos requisitos, baterias não são simples.

Requisitos de Potência de Baterias EV:

Para operar veículo médio, precisa de muita potência. Muito mais que processador high-end ou monitor LCD. Estimativa de potência para acelerar veículo típico em estrada plana sem vento contrário: ~61 kW. Muita potência por veículo, e você não quer carro "engasgado" em subida ou dia de vento. Sem mencionar balanceamento de resistência interna baixa para máxima potência de saída.

Densidade Energética de Sistemas EV:

Termo importante: densidade energética — energia armazenada por unidade de volume. (Energia específica = energia por unidade de massa).

Fontes de combustível mais comuns: gasolina e carvão vs baterias. Baterias são mais convenientes, mas densidade energética e energia específica são menores que carvão e gasolina. Em perspectiva: energia específica da gasolina é 100x maior que bateria Li-Ion. Gasolina é 300x maior que chumbo-ácido.

Sistemas de Bateria Elétrica vs Motor a Combustão Interna (ICE)

Porém, em eficiência, motor elétrico vence ICE. Mas alcançar autonomia com motor elétrico é mais difícil que com ICE. Ex: veículo a gasolina com tanque pequeno roda ~640 km; média de carro elétrico ~290 km.

Existem ofertas competitivas de maior autonomia, mas há desvantagens:

• Custos de fabricação das baterias são altíssimos — grande parte do preço total do EV.
• Recarga/descarga degrada bateria com tempo; não há dados sólidos de desempenho a longo prazo. ICE bem mantido roda 160.000+ km.
• Recarga é demorada. Mesmo Superchargers Tesla exigem ~30 min.

EVs e a Química Envolvida:

Pesquisa pela melhor tecnologia de bateria não é nova. Documento do Argonne National Lab (1994) listou "sistemas candidatos de bateria EV": chumbo-ácido, níquel/cádmio, níquel/ferro, níquel/hidreto metálico, sódio/enxofre, zinco/bromo, zinco/ar, sódio/cloreto de níquel, lítio/sulfeto de ferro, lítio-polímero. Ordenados por energia específica: menor (chumbo-ácido: 25–40 Wh/kg) a maior (lítio-polímero: 100–200 Wh/kg).

Hoje, sistema EV favorecido é lítio-íon. Até 2012, o dominante era níquel/hidreto metálico (NiMH), mas hoje lítio-íon domina. Pesquisadores observaram que Li-Ion entrega maior potência, maior energia específica e menos problemas gerais. Para animação de funcionamento de bateria Li-Ion, clique aqui.

Impacto dos Veículos Elétricos:

Como dito, EVs não "dominaram o mundo". Motores a gasolina/diesel ainda são maioria. Para viagens longas, clientes preferem combustíveis fósseis. Mercado EV nos EUA não é grande (Noruega tem market share ~32x maior). Uso de EVs mais comum na China (mercado cresce 2x mais rápido que EUA).

Conclusão:

A indústria de veículos elétricos ainda está evoluindo. Muitos desenvolvimentos necessários antes que sistemas de bateria EV dominem. Seu uso será muito benéfico se obstáculos como preço e praticidade forem superados nos próximos anos.