As baterias de íons de lítio com autoaquecimento carregam rapidamente mesmo a –42°C, oferecendo 4.500 ciclos e longevidade de 12 anos

• As novas baterias com autoaquecimento podem ser carregadas em 15 minutos em temperaturas tão baixas quanto -42°C. 
• Ele pode suportar 4.500 ciclos de carga com apenas 20% de perda de capacidade. 
• Isso equivale a 12 anos de ciclo de vida da bateria ou 450.000 quilômetros de vida útil do veículo elétrico.

Uma corrida emocionante está acontecendo entre as grandes montadoras para aumentar a potência e o número de estações de carregamento rápido. Em 2017, a Daimler, a Volkswagen, a Ford e a BMW formaram uma joint venture para construir 400 estações de carregamento “ultra-rápidas” em toda a Europa até ao final de 2020. Entretanto, a Honda planeia lançar veículos eléctricos com capacidade de carregamento rápido de 15 minutos, até 2022.

Em maio de 2018, o Departamento de Energia dos Estados Unidos anunciou um financiamento de US$ 19 milhões para apoiar pesquisas avançadas de baterias e eletrificação para aumentar ainda mais a potência de carregamento para 400 kW.

Os veículos eléctricos existentes não conseguem suportar o carregamento rápido em condições de frio extremo porque aumenta o risco de revestimento de lítio – formação de lítio metálico à volta do ânodo durante o carregamento, causando mau funcionamento das baterias ao longo do tempo.

As baterias de lítio tradicionais não podem ser carregadas rapidamente abaixo de 10°C. Carregar estas baterias abaixo do ponto de congelamento resultaria em perda permanente de capacidade e aumento da resistência interna.

Agora, pesquisadores da Universidade Estadual da Pensilvânia desenvolveram uma bateria que pode se autoaquecer, permitindo um carregamento rápido sem revestimento de lítio, independentemente da temperatura externa.

Essas baterias podem recarregar veículos elétricos em 15 minutos – quase o equivalente ao reabastecimento de gasolina. Isto poderia ser um grande alívio para as pessoas que vivem em estados frios. Considerando que as estações de carregamento são instaladas de forma ampla, os proprietários podem perder a ansiedade quanto à autonomia do veículo e percorrer distâncias maiores sem preocupações.

Anteriormente, os cientistas construíram um sistema de bateria no qual o consumo de energia não ocorria abaixo de temperaturas de congelamento devido ao autoaquecimento. Agora, a mesma técnica foi aplicada para fazer com que as baterias carreguem rapidamente (em 15 minutos) em todas as condições climáticas, incluindo temperaturas tão baixas quanto -42°C.

Como funciona?

A bateria recém-projetada possui uma fina folha de níquel cuja extremidade vai para o terminal negativo da célula, enquanto a outra se estende para fora, criando um terceiro terminal. Para completar o circuito, há uma chave conectada a um sensor de temperatura que permite que os elétrons fluam através da folha de níquel quando a temperatura é inferior a 20°C.

O fluxo de elétrons produz aquecimento por resistência na folha de níquel, o que acaba aumentando a temperatura interna da bateria. Quando a temperatura sobe (acima de 20°C), o interruptor abre, permitindo que a corrente elétrica flua para a bateria para um carregamento rápido.

Bateria com autoaquecimento | crédito:Chao-Yang Wang/Penn State

Referência:PNAS | doi:10.1073/pnas.1807115115 | Estado da Pensilvânia

A bateria faz todo esse trabalho sozinha; nenhuma intervenção humana é necessária. Além disso, as estações de carregamento existentes não necessitam de ser alteradas. A alternância entre aquecimento e carregamento é feita dentro da célula, não nos carregadores.

Teste

Os resultados dos testes do protótipo foram mais do que impressionantes. Os pesquisadores descobriram que a bateria tem um ciclo de vida notável equivalente a mais de 12 anos ou 280.000 milhas de vida útil do veículo elétrico. Especificamente, a bateria pode suportar 4.500 ciclos de carregamento rápido (15 minutos) com perda de capacidade de apenas 20% a 0°C.

Uma bateria tradicional, por outro lado, pode perder 20% da capacidade em apenas 50 ciclos de carga sob temperaturas congelantes. Isso acontece porque o lítio metálico (em excesso) se deposita na superfície do ânodo, em vez de os íons de lítio se fundirem eficientemente com os ânodos de carbono. Actualmente, o carregamento lento é a única forma possível de evitar esta situação abaixo dos 10°C.

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De acordo com os pesquisadores, seu novo método fornece uma maneira de dissociar a cinética de carga da descarga na ciência das baterias e melhorar o carregamento sem a necessidade de novos materiais ou produtos químicos. Além disso, oferece uma plataforma para construir materiais de bateria mais avançados sem preocupação com a temperatura.

Do lado da aplicação, a técnica ajudará as montadoras a usar baterias menores e mais leves. Ele também permite uma ampla gama de eletrônicos e dispositivos, como robôs externos, smartphones para todos os climas, drones e microssatélites operando em grandes altitudes.