As vendas de veículos elétricos continuam a crescer exponencialmente em todos os mercados globais, apesar de um golpe significativo no mercado automotivo devido à pandemia do COVID-19. A Europa e a China lideram os mercados globais com 1,4 milhão e 1,1 milhão de novos registros em 2020.
Por Adam Kimmel para Mouser Electronics – Traduzido com permissão da Mouser
Publicado em 29 de outubro de 2021
A participação de mercado na UE permanece destemida pela pandemia, com 10% dos automóveis europeus seja veículos elétricos a bateria (BEV), veículos elétricos híbridos plug-in ( PHEV), ou veículos elétricos de célula de combustível (FCEV). Além disso, à medida que a demanda e a oferta globais aumentam, os custos diminuem.
Componentes de limitação de custo em breve ditarão o momento para adoção em larga escala. Para os FCEVs, reduzir o custo do hidrogênio dos atuais US$ 6,50/kg para US$ 1,50/kg é o ponto de partida. Os custos da bateria irão acompanhar a adoção de BEVs e PHEVs, com a bateria consumindo 30% do custo total para os consumidores. Ainda assim, com a demanda de veículos aumentando exponencialmente, o custo por quilowatt-hora (kWh) está diminuindo exponencialmente, chegando a US$ 137/kWh no final de 2020. A BloombergNEF estima que, a US$ 100/kWh, os carros elétricos estarão em paridade de custo com a gasolina- veículos motorizados.
Embora o debate entre veículos movidos a hidrogênio e bateria esteja longe de terminar, os BEVs provavelmente dominarão o mercado no curto prazo, especialmente para veículos leves que não exigiriam uma bateria grande o suficiente para alimentar um caminhão Classe VIII. Mas mesmo dentro do segmento de baterias, não há uma escolha clara para a melhor tecnologia de bateria. Lithium-Ion (Li-ion) domina o mercado, mas existem outros produtos químicos de bateria viáveis - e alguns tecnicamente superiores - no mercado hoje.
Com os custos de íons de lítio projetados para estabilizar em breve, há uma oportunidade de inovação com produtos químicos alternativos para ganhar uma fatia do segmento de baterias. Um desses produtos químicos, as baterias de estado sólido, está prestes a emergir como a principal química para baterias de veículos elétricos. Este artigo analisa a tecnologia de bateria de estado sólido e a compara com as outras principais tecnologias de bateria do mercado atualmente.
Baterias de Li-Íon e as principais alternativas
A maioria das baterias EV são baseadas em íons de lítio. Uma tecnologia de estado líquido, o Li-ion funciona empregando lítio para transportar a carga elétrica entre os eletrodos. Para colocar a escala das baterias de veículos elétricos em perspectiva, eles usam 10.000 vezes a quantidade de lítio dos telefones celulares, aumentando a demanda por lítio e elevando o preço das commodities. No entanto, o Li-ion não está isento de desafios, levando os fabricantes de baterias a desenvolver alternativas como níquel-hidreto metálico (NMH), chumbo-ácido, ultracapacitores e baterias de estado sólido.
Li-Ion
Uma das maiores razões pelas quais os fabricantes de veículos elétricos preferem a tecnologia de baterias de íons de lítio é sua alta relação potência/massa. Componentes pesados são inimigos do alcance, pois a bateria usa muita energia para iniciar e parar um veículo mais pesado em vez de percorrer uma distância maior por carga. Além disso, as baterias de íons de lítio possuem alta densidade de energia e melhor desempenho do que suas alternativas em temperaturas elevadas. O uso de íons de lítio na indústria de eletrônicos de consumo é parcialmente responsável pela alta densidade de energia.
O tamanho decrescente da eletrônica e o desejo de mais horas de operação por carga estimularam a inovação neste parâmetro. Como resultado, a densidade de energia do Li-ion é mais de 2,5 vezes maior do que as baterias NMH e de chumbo-ácido. Além disso, as baterias de íon de lítio são recicláveis, o que as torna uma boa opção para consumidores preocupados com o meio ambiente.
As baterias de lítio são compostas por:
• Um cátodo (feito de cobalto, níquel ou manganês) que determina a capacidade e a tensão da bateria
• Um ânodo (feito de grafite ou silício) que permite que a corrente elétrica flua através de um circuito externo
• Um eletrólito composto de sais e outros aditivos que transferem íons do cátodo para o ânodo. É o que dá o nome ao tipo de bateria ("Li-ion" significa que o lítio carrega os elétrons na forma de um íon negativo)
• Um separador para evitar o contato direto entre o ânodo e o cátodo
Embora o Li-ion seja uma solução de baixo custo e tecnicamente vantajosa, a demanda explosiva por esse tipo de bateria, juntamente com a inflação de commodities que afeta suas matérias-primas, aumentou os custos, impedindo que os preços continuassem em queda. Além disso, possui o risco de inchar por mudança de temperatura excessiva ou impacto brusco e, por ser um líquido, pode vazar com impacto intenso. Finalmente, o lítio é um metal alcalino, o que significa que é altamente reativo e inflamável. Esse recurso representa outro obstáculo crítico de segurança a ser superado.
Hidreto metálico de níquel (NMH)
Enquanto o Li-ion é o padrão para veículos totalmente elétricos (AEV), o NMH é mais adequado para veículos elétricos híbridos (HEV) e veículos elétricos híbridos plug-in (PHEV). Embora o NMH tenha um ciclo de vida melhor do que o íon-lítio ou o chumbo-ácido, a química traz sua parcela de desvantagens. As baterias de níquel-hidreto metálico são mais baratas em comparação com as de íon-lítio, mas apresentam taxas de autodescarga mais altas quando não estão em uso. O NMH também gera calor substancial na extremidade mais quente da faixa de operação. Esse excesso de geração de calor leva a um alcance reduzido e ciclos de vida mais curtos. Essa tecnologia também traz o risco de perda indesejada de hidrogênio que fabricantes e consumidores devem monitorar e controlar.
Chumbo ácido
Embora o desempenho técnico mais próximo do Li-ion entre as opções de estado líquido, as baterias de chumbo-ácido são essencialmente relegadas ao status de pesquisa ou substituto. Eles apresentam baixo desempenho em temperaturas frias, desafiando seu uso em climas globais amplos, e têm uma vida útil curta. Embora os consumidores provavelmente não se apeguem a substituir 30% do custo do VE a uma taxa mais alta do que o esperado, essa tecnologia complementa as químicas do caminho principal com uma solução intermediária segura, barata e proficiente [de curto prazo].
Ultracapacitores
Como a química de baterias de chumbo-ácido, os ultracapacitores também são uma opção secundária para armazenamento de energia. No entanto, seu principal diferencial é que eles ajudam a bateria a nivelar sua carga, tirando o excesso ou fornecendo energia quando necessário. Essa flexibilidade é crítica em uma fonte secundária de armazenamento de energia.
Li-Ion vs. Eletrólitos de Estado Sólido para BEV
Dada a comparação acima, o vencedor claro para eletrólitos de estado líquido continua sendo o íon de lítio. Mas essa percepção não é o fim da história; como discutido acima, o íon de lítio é suscetível a custos mais altos devido ao aumento vertiginoso da demanda. Além disso, há uma oportunidade de melhorar a principal preocupação de segurança de incêndio de líquidos inflamáveis. A segurança é um dos critérios de sucesso mais críticos para os VEs inspirarem a confiança do público, portanto, os reguladores da indústria e de segurança provavelmente receberiam uma oportunidade de intensificar os recursos de segurança.
As baterias de estado sólido (compostas de metal de lítio) abordam os desafios de segurança mais urgentes do Li-ion. Eles são mais estáveis, têm uma densidade de energia mais alta do que o já alto íon de lítio, vêm de materiais prontamente disponíveis e oferecem menor inflamabilidade, carregamento mais rápido e alcance mais amplo. Além disso, o material de eletrólito sólido melhora e amplia a faixa de desempenho das baterias EV, carrega mais rapidamente e usa materiais prontamente disponíveis.
Barreiras à adoção em larga escala
O estado sólido é o futuro das baterias EV. Agora, no entanto, existem algumas barreiras à adoção em larga escala que os desenvolvedores de baterias devem resolver. As baterias de estado sólido terão um custo de desenvolvimento mais alto devido à falta de capital para produzir grandes quantidades. É crucial reduzir esse custo para incentivar os consumidores a comprar veículos elétricos de estado sólido.
Existem lacunas no material eletrolítico sólido de Li que degrada o desempenho da bateria e a vida útil quando implementado em BEVs. Além disso, as baterias de estado sólido são propensas a rachaduras e é melhor carregá-las a 140 graus Fahrenheit para obter um desempenho ideal.
Como acontece com qualquer material de desenvolvimento, será fundamental que o processo de fabricação seja eficiente. Até o momento, não houve uma bateria de estado sólido produzida em massa para veículos elétricos. Como resultado, os desafios de fabricação devido à falta de experiência com materiais eletrolíticos sólidos atrasariam substancialmente a adoção em larga escala. Um problema de fabricação também pode fazer com que a fábrica de baterias EV seja desligada, atrasando a maior parte da primeira interação do público com a nova bateria e afetando a confiança do consumidor.
Do ponto de vista de financiamento, garantir o investimento atual por meio das próprias montadoras permitirá uma maior adoção e a entrada de consumidores no mercado. Além disso, as empresas estão investindo centenas de milhões de dólares na tecnologia para encontrar uma solução melhor para o Li-ion e diminuir os custos de fabricação de estado sólido.
Conclusão
Dados os benefícios das baterias de estado sólido, as principais montadoras estão direcionando suas estratégias para essa química eletrolítica. Como as baterias de estado sólido se tornarão a tecnologia eletrolítica padrão do futuro para os EVs, a Toyota anunciou que investirá US$ 13,5 bilhões até 2030 nessa química. Além disso, um grupo que inclui VW, Ford e BMW está entre os OEMs que se comprometeram com baterias de estado sólido nos próximos anos para veículos elétricos.
Não sem seus desafios, as baterias de estado sólido atendem às preocupações de segurança de inflamabilidade com baterias de estado líquido, carregam mais rapidamente e fornecem um alcance de condução mais estendido. Colocar o equipamento de capital no lugar e aumentar o fornecimento de baterias criará o caminho para a transição do mercado do estado líquido para o estado sólido. A indústria e os consumidores serão todos beneficiados com a mudança.
Biografia do autor
Adam Kimmel tem quase 20 anos como engenheiro praticante, gerente de P&D e redator de conteúdo de engenharia. Ele cria white papers, cópia de sites, estudos de caso e postagens em blogs em mercados verticais, incluindo automotivo, industrial/manufatura, tecnologia e eletrônicos. Adam é formado em Engenharia Química e Mecânica e é fundador e diretor da ASK Consulting Solutions, LLC, uma empresa de redação de conteúdo de engenharia e tecnologia.
