Carro elétrico ontem, hoje, amanhã: parte 3

O termo "baterias de íon de lítio" oculta uma ampla variedade de tecnologias.

Uma coisa é certa - desde que a eletroquímica de íons de lítio permaneça inalterada a esse respeito. Nenhuma outra tecnologia de armazenamento de energia eletroquímica pode competir com o íon de lítio. O ponto, no entanto, é que existem diferentes projetos que usam materiais diferentes para o cátodo, ânodo e eletrólito, cada um com vantagens diferentes em termos de durabilidade (o número de ciclos de carga e descarga até uma capacidade residual permitida para veículos elétricos de 80%), potência específica kWh/kg, preço euro/kg ou relação potência/potência.

De volta no tempo

A possibilidade de realizar processos eletroquímicos nos chamados. As células de íons de lítio vêm da separação de prótons e elétrons de lítio da junção de lítio no cátodo durante o carregamento. O átomo de lítio doa facilmente um de seus três elétrons, mas pelo mesmo motivo é altamente reativo e deve ser isolado do ar e da água. Na fonte de tensão, os elétrons começam a se mover ao longo de seu circuito e os íons são direcionados para o ânodo de carbono-lítio e, passando pela membrana, são conectados a ele. Durante a descarga, ocorre o movimento inverso - os íons retornam ao cátodo e os elétrons, por sua vez, passam pela carga elétrica externa. No entanto, o carregamento rápido de alta corrente e a descarga total resultam na formação de novas conexões duráveis, que reduzem ou até interrompem a função da bateria. A ideia por trás do uso do lítio como doador de partículas decorre do fato de que é o metal mais leve e pode facilmente liberar prótons e elétrons nas condições certas. No entanto, os cientistas estão abandonando rapidamente o uso de lítio puro devido à sua alta volatilidade, sua capacidade de se ligar ao ar e por razões de segurança.

A primeira bateria de íons de lítio foi criada na década de 1970 por Michael Whittingham, que usava sulfeto de lítio e titânio puro como eletrodos. Essa eletroquímica não é mais usada, mas na verdade estabelece as bases para as baterias de íon-lítio. Na década de 1970, a Samar Basu demonstrou a capacidade de absorver íons de lítio da grafite, mas, graças à experiência da época, as baterias se autodestruíram rapidamente durante o carregamento e o descarregamento. O desenvolvimento intensivo começou na década de 1980 para encontrar compostos de lítio adequados para o cátodo e o ânodo das baterias, e um verdadeiro avanço ocorreu em 1991.

NCA, NCM células de lítio ... o que isso realmente significa?

Depois de experimentar vários compostos de lítio em 1991, os esforços dos cientistas foram coroados de sucesso - a Sony iniciou a produção em massa de baterias de íon-lítio. Atualmente, as baterias desse tipo têm a maior potência de saída e densidade de energia e, o mais importante, um potencial significativo de desenvolvimento. Dependendo dos requisitos da bateria, as empresas estão recorrendo a vários compostos de lítio como material do cátodo. São eles: óxido de lítio e cobalto (LCO), compostos com níquel, cobalto e alumínio (NCA) ou com níquel, cobalto e manganês (NCM), fosfato de ferro e lítio (LFP), espinela de manganês e lítio (LMS), óxido de titânio e lítio (LTO). e outros. O eletrólito é uma mistura de sais de lítio e solventes orgânicos e é especialmente importante para a "mobilidade" dos íons de lítio, e o separador, responsável por evitar curtos-circuitos por ser permeável aos íons de lítio, geralmente é polietileno ou polipropileno.

Potência de saída, capacidade ou ambos

As características mais importantes da bateria são energia, confiabilidade e segurança específicas. As baterias produzidas atualmente cobrem uma ampla variedade dessas qualidades e, dependendo dos materiais utilizados, possuem uma faixa de energia específica de 100 a 265 W / kg (e uma densidade de energia de 400 a 700 W / l). Os melhores nesse sentido são as baterias NCA e os piores LFPs. No entanto, o material é um lado da moeda. Para aumentar a energia específica e a densidade de energia, várias nanoestruturas são usadas para absorver mais material e fornecer uma maior condutividade do fluxo de íons. Um grande número de íons "armazenados" em um composto estável e a condutividade são pré-requisitos para carregamento mais rápido, e o desenvolvimento é direcionado nessas direções. Ao mesmo tempo, o design da bateria deve fornecer a proporção necessária de potência / capacidade, dependendo do tipo de unidade. Por exemplo, os híbridos de plug-in devem ter uma taxa de potência / capacidade muito mais alta por razões óbvias. Os desenvolvimentos de hoje estão focados em baterias do tipo NCA (LiNiCoAlO2 com um cátodo e um ânodo de grafite) e NMC 811 (LiNiMnCoO2 com um cátodo e um ânodo de grafite). Os primeiros contêm (fora do lítio) cerca de 80% de níquel, 15% de cobalto e 5% de alumínio e têm uma energia específica de 200-250 W / kg, o que significa que eles têm um uso relativamente limitado de cobalto crítico e uma vida útil de até 1500 ciclos. Essas baterias serão produzidas pela Tesla em sua Gigafactory em Nevada. Quando atingir a capacidade total planejada (em 2020 ou 2021, dependendo da situação), a fábrica produzirá 35 GWh de baterias, o suficiente para equipar 500 carros. Isso reduzirá ainda mais os custos da bateria.

As baterias NMC 811 têm uma energia específica ligeiramente inferior (140-200W/kg), mas têm uma vida útil mais longa, chegando a 2000 ciclos completos, e são 80% de níquel, 10% de manganês e 10% de cobalto. Atualmente, todos os fabricantes de baterias usam um desses dois tipos. A única exceção é a empresa chinesa BYD, que fabrica baterias LFP. Os carros equipados com eles são mais pesados, mas não precisam de cobalto. As baterias NCA são preferidas para veículos elétricos e NMC para híbridos plug-in devido às suas respectivas vantagens em termos de densidade de energia e densidade de potência. Exemplos são o e-Golf elétrico com relação potência/capacidade de 2,8 e o Golf GTE híbrido plug-in com relação de 8,5. Em nome da redução do preço, a VW pretende usar as mesmas células para todos os tipos de baterias. E mais uma coisa - quanto maior a capacidade da bateria, menor o número de descargas e cargas completas, e isso aumenta sua vida útil, portanto - quanto maior a bateria, melhor. A segunda diz respeito aos híbridos como um problema.

Tendências de mercado

Atualmente, a demanda por baterias para fins de transporte já supera a demanda por produtos eletrônicos. Ainda é projetado que 2020 milhão de veículos elétricos por ano serão vendidos globalmente até 1,5, o que ajudará a reduzir o custo das baterias. Em 2010, o preço de 1 kWh de uma célula de iões de lítio era de cerca de 900 euros e agora é inferior a 200 euros. 25% do custo de toda a bateria é para o cátodo, 8% para o ânodo, separador e eletrólito, 16% para todas as outras células da bateria e 35% para o design geral da bateria. Em outras palavras, as células de íons de lítio contribuem com 65% do custo de uma bateria. Os preços estimados da Tesla para 2020 quando a Gigafactory 1 entrar em serviço rondam os 300€/kWh para baterias NCA e o preço inclui o produto acabado com algum IVA médio e garantia. Ainda um preço bastante alto, que continuará diminuindo com o tempo.

As principais reservas de lítio estão na Argentina, Bolívia, Chile, China, EUA, Austrália, Canadá, Rússia, Congo e Sérvia, com a grande maioria atualmente sendo extraída de lagos secos. Com o acúmulo de um número crescente de baterias, o mercado de materiais reciclados a partir de baterias antigas aumentará. Mais importante, porém, é o problema do cobalto, que, embora presente em grandes quantidades, é extraído como subproduto na produção de níquel e cobre. Embora o cobalto seja pobre em solo, ele é extraído no Congo (que possui as maiores reservas disponíveis), mas sob condições que desafiam a ética, a moralidade e a proteção ambiental.

Tecnologia avançada

Deve-se ter em mente que as tecnologias adotadas como uma perspectiva para o futuro próximo, de fato, não são fundamentalmente novas, mas são opções de íons de lítio. Tais, por exemplo, são baterias de estado sólido, nas quais um eletrólito sólido (ou gel em baterias de polímero de lítio) é usado em vez de líquido. Esta solução fornece um design mais estável dos eletrodos, o que viola sua integridade ao carregar com alta corrente, respectivamente. alta temperatura e alta carga. Isso pode aumentar a corrente de carga, a densidade do eletrodo e a capacitância. As baterias de estado sólido ainda estão em um estágio muito inicial de desenvolvimento e dificilmente aparecerão na produção em massa até meados da década.

Uma das startups premiadas na Competição de Tecnologia de Inovação BMW 2017 em Amsterdã foi uma empresa movida a bateria cujo ânodo de silício aumenta a densidade de energia. Os engenheiros estão trabalhando em várias nanotecnologias para fornecer maior densidade e resistência ao material do ânodo e do cátodo, e uma solução é usar grafeno. Essas camadas microscópicas de grafite com espessura de um átomo e estrutura atômica hexagonal são um dos materiais mais promissores. As "bolas de grafeno" desenvolvidas pelo fabricante de células de bateria Samsung SDI, integradas na estrutura de cátodo e ânodo, proporcionam maior resistência, permeabilidade e densidade do material e um aumento correspondente na capacidade de cerca de 45% e tempo de carregamento cinco vezes mais rápido. Essas tecnologias pode receber o impulso mais forte dos carros de Fórmula E, que podem ser os primeiros a serem equipados com tais baterias.

Jogadores nesta fase

Os principais players como fornecedores Tier 123 e Tier 2020, ou seja, fabricantes de células e baterias, são o Japão (Panasonic, Sony, GS Yuasa e Hitachi Vehicle Energy), Coréia (LG Chem, Samsung, Kokam e SK Innovation), China (BYD Company) . , ATL e Lishen) e nos EUA (Tesla, Johnson Controls, A30 Systems, EnerDel e Valence Technology). Os principais fornecedores de telefones celulares atualmente são LG Chem, Panasonic, Samsung SDI (Coréia), AESC (Japão), BYD (China) e CATL (China), que possuem uma participação de mercado de dois terços. Nesta fase na Europa, eles só se opõem ao BMZ Group da Alemanha e ao Northvolth da Suécia. Com o lançamento da Gigafactory da Tesla em XNUMX, essa proporção vai mudar – a empresa americana será responsável por XNUMX% da produção mundial de células de íon-lítio. Empresas como Daimler e BMW já fecharam contratos com algumas dessas empresas, como a CATL, que está construindo uma fábrica na Europa.