Tudo o que você quer saber sobre baterias de veículos elétricos

A velocidade, quilometragem, torque e todos os parâmetros vitais de um carro elétrico dependem unicamente da especificação do motor e da bateria usada no carro. Embora o uso de um motor potente não seja grande coisa, o problema está em projetar um pacote de bateria que possa fornecer corrente suficiente para o motor por um longo tempo sem degradar sua vida útil. Para lidar com a tensão e a demanda atual, os fabricantes de EV precisam combinar centenas, senão milhares de células para formar um pacote de bateria para um único carro. Para se ter uma ideia, o Tesla modelo S tem cerca de 7.104 células e o Nissan Leaf tem cerca de 600 células. Esse grande número, juntamente com a natureza instável das células de lítio, torna difícil projetar um pacote de bateria para um carro elétrico. Neste artigo, vamos explorar como um pacote de bateria para veículos elétricos é projetado para um EVe quais são os parâmetros vitais associados às baterias que precisam ser cuidados.

O que há dentro de uma bateria para veículos elétricos?

Se você leu o artigo Introdução ao veículo elétrico, já deve ter respondido à pergunta. Para as pessoas que são novas, deixe-me dar uma rápida recapitulação. A imagem abaixo mostra a bateria do Nissan Leaf sendo separada do seu Pack até o nível de célula.

Os carros elétricos modernos usam baterias de lítio para alimentar seus carros devido a algumas razões óbvias que discutiremos posteriormente neste artigo. Mas, essas baterias de lítio têm apenas cerca de 3,7 V por célula, enquanto um carro EV requer algo perto de 300V. Para atingir essa alta tensão e classificação Ah, as células de lítio são combinadas em série e em combinação paralela para formar módulos e esses módulos, juntamente com alguns circuitos de proteção (BMS) e sistema de resfriamento, são dispostos em um invólucro mecânico denominado coletivamente como Pacote de bateria, conforme mostrado acima.

Tipos de baterias

Embora a maioria dos carros use baterias de lítio, não estamos apenas limitados a elas. Existem muitos tipos de química de bateria disponíveis. De modo geral, as baterias podem ser classificadas em três tipos.

Baterias primárias: são baterias não recarregáveis. Ou seja, pode converter energia química em energia elétrica e não vice-versa. Um exemplo seria o uso de pilhas alcalinas (AA, AAA) em brinquedos e controles remotos.

Baterias Secundárias: São as baterias nas quais temos interesse para veículos elétricos. Ele pode converter energia química em energia elétrica para alimentar o EV e também pode converter energia elétrica em energia química novamente durante o processo de carregamento. Essas baterias são comumente usadas em telefones celulares, EVs e na maioria dos outros eletrônicos portáteis.

Baterias de reserva: são tipos especiais de baterias usadas em aplicações muito exclusivas. Como o nome indica, as baterias são mantidas como reserva (standby) durante a maior parte de sua vida útil e, portanto, têm uma taxa de autodescarga muito baixa. Por exemplo, baterias de colete salva-vidas.

Química Básica de uma Bateria

Como dito anteriormente, existem muitos produtos químicos diferentes disponíveis para baterias. Cada química tem seus prós e contras. Mas, independentemente do tipo de química, existem poucas coisas que são comuns a todas as baterias, vamos dar uma olhada nelas sem entrar muito em sua química.

Existem três camadas principais em uma bateria: o cátodo, o ânodo e o separador. O cátodo é a camada positiva da bateria e o ânodo é a camada negativa da bateria. Quando uma carga é conectada aos terminais da bateria, a corrente (elétrons) flui do ânodo para o cátodo. Da mesma forma, quando um carregador é conectado aos terminais da bateria, o fluxo de elétrons é invertido, ou seja, do cátodo para o ânodo, conforme mostrado na figura acima.

Para que qualquer bateria funcione, uma reação química chamada Reação de Redução de Oxidação deve ocorrer. Às vezes também chamada de Reação Redox. Esta reação ocorre entre o ânodo e o cátodo da bateria através do eletrólito (separador). O lado do ânodo da bateria estará disposto a ganhar elétrons e, portanto, ocorrerá uma reação de oxidação e o lado do cátodo da bateria estará disposto a perder elétrons e, portanto, ocorrerá a reação de redução. Devido a essa reação, os íons são transferidos do cátodo para o lado do ânodo da bateria através do separador. Como resultado, haverá mais íons acumulados no ânodo. Para neutralizar esse ânodo, é preciso empurrar os elétrons de seu lado para o cátodo.

Mas o Separador só permite o fluxo de íons através dele e bloqueia qualquer movimento do elétron do ânodo para o cátodo. Portanto, a única maneira pela qual a bateria pode transferir os elétrons é através de seus terminais externos, é por isso que, quando conectamos uma carga aos terminais da bateria, obtemos uma corrente (elétrons) fluindo por ela.

Fundamentos da química da bateria de lítio

Como vamos discutir as baterias de lítio, visto que são as baterias preferidas para EV, vamos nos aprofundar um pouco mais em sua química. Existem muitos tipos de baterias de lítio novamente, lítio-níquel-cobalto-alumínio (NCA), lítio-níquel-cobalto-manganês (NMC), espinélio de lítio-manganês (LMO), titanato de lítio (LTO), fosfato de lítio-ferro (LFP) são os mais comuns. Mais uma vez, cada química tem suas próprias características que são perfeitamente ilustradas abaixo da foto do grupo Boston Consulting.

Destes, o Lítio Níquel Cobalto Alumínio é o mais utilizado devido ao seu baixo custo. Veremos mais desses parâmetros posteriormente neste artigo. Mas uma coisa comum que você pode notar aqui é que o lítio está presente em todas as baterias. Isso se deve principalmente à configuração eletrônica do Lítio. Um átomo de metal de lítio neutro é mostrado abaixo.

Ele tem um número atômico de três, o que significa que três elétrons estarão em torno de sua nuclease e a camada mais externa tem apenas um elétron de valência. Durante a reação, esse elétron de valência é puxado para fora, dando-nos um elétron e um íon de lítio com dois elétrons formando um íon de lítio. Conforme discutido anteriormente, o elétron fluirá como corrente pelos terminais externos da bateria e o íon de lítio fluirá pelo eletrólito (separador) durante a reação redox.

Noções básicas de baterias para veículos elétricos

Agora sabemos como funciona uma bateria e como ela é usada em um veículo elétrico, mas para continuar a partir daqui, precisamos entender algumas terminologias básicas que são comumente usadas ao projetar uma bateria. Deixe-nos discuti-los…

Classificação de tensão: duas classificações muito comuns que podem ser marcadas em uma bateria são a classificação de tensão e a classificação Ah. As baterias de chumbo-ácido são comumente de 12V e as baterias de lítio de 3,7V. Isso é chamado de tensão nominal de uma bateria. Isso não significa que a bateria fornecerá 3,7 V em seus terminais o tempo todo. O valor da voltagem varia com base na capacidade da bateria. Vamos discutir