Qual química é melhor para eletrificar seu veículo?
Vamos descobrir os diferentes tipos de baterias
Composição e características das baterias de lítio com química LCO:
Óxido de Lítio-Cobalto (LiCoO 2 )
As baterias de lítio com química LCO são as menos recentes, usadas principalmente para dispositivos eletrônicos e aplicações móveis, e consistem em um cátodo de óxido de cobalto (eletrodo positivo) e um ânodo de carbono de grafite (eletrodo negativo).
A vantagem dessa química é que ela tem uma alta energia específica e é perfeita para baterias médias-pequenas, que conseguem ter um bom desempenho, de modo que podem ser carregadas muito rapidamente.
As baterias LCO são de fato as mais utilizadas para smartphones, câmeras digitais e laptops portáteis.
Por outro lado, seu uso é limitado principalmente a aplicativos que não são muito grandes devido à sua limitações de segurança. Além disso, eles apresentam uma corrente de descarga bastante baixa e isso pode levá-los a superaquecer rapidamente sob altas cargas.
Eles também contêm uma alta proporção de cobalto, um elemento caro, difícil de encontrar e associado a grandes problemas éticos na extração, e é por isso que um número crescente de fabricantes está tentando prescindir dele ou limitar ao máximo seu uso .
Composição e características das baterias de lítio com química LMO:
Óxido de Lítio-Manganês (LiMn 2 O 4 )
baterias de lítio com química LMO têm um desempenho muito semelhante àqueles que usam tecnologia LCO. Eles são amplamente utilizados em pequenos dispositivos, como ferramentas elétricas.
A principal característica das baterias LMO é a capacidade de fornecer muita energia em pouco tempo. baterias LMN consistem em um cátodo de óxido de manganês e um ânodo de grafite.
Eles são frequentemente usados para bicicletas elétricas, jardinagem, equipamentos médicos e ferramentas elétricas, como furadeiras e chaves de fenda.
baterias LMO têm maior estabilidade térmica do que as baterias com química LCO, mas são limitadas por sua capacidade, que é menor do que os sistemas à base de cobalto.
Composição e características das baterias de lítio com química LFP:
Lítio – Ferro – Fosfato (LiFePO4)
A química LFP responde melhor às necessidades específicas do setor industrial, onde não é necessária energia específica excessiva, mas onde há necessidade de segurança muito alta e ciclos de vida longos. Então, estamos falando de um mundo muito amplo, que vai desde automação, robótica, logística, construção, agricultura, navegação, veículos elétricos, até veículos aeroportuários, plataformas aéreas e veículos especiais De fato, as baterias com química LFP são as mais seguras e estáveis do mercado atualmente, e estão disponíveis em formatos de grande capacidade, conforme exigido pelos sistemas industriais, sem a necessidade de conectar muitos pequenas células em paralelo, o que diminuiria sua estabilidade e comprometeria a segurança do veículo. Os ciclos de vida em uma bateria com química LFP hoje excedem 3,500 Ciclos e, se equipado com um bom sistema BMS, pode facilmente exceder 4,000, e no futuro ainda mais do que 6,000 Ciclos pode ser esperado.Mas devemos ter cuidado, quando falamos de “ciclos de vida” não devemos pensar que depois de 3,500 ciclos uma bateria está completamente descarregada. Na verdade, é importante lembrar que o fim de vida de uma bateria de um veículo é sempre considerado como 80% da capacidade restante, mas ainda haverá muitas possibilidades de uso em outras áreas, como o armazenamento de energia. Outra vantagem da química LFP, além de sua segurança inerente e altos ciclos de vida, é que ela possui uma curva de descarga plana. Na imagem abaixo, a curva tende a subir. Esta é a chamada curva de carga, enquanto as curvas descendentes referem-se à tensão da bateria durante a descarga. A faixa de tensão de 100% a 0% é, portanto, muito semelhante, e isso é um fato fundamental, pois permite que máquinas e veículos industriais garantam o mesmo desempenho do início ao fim da descarga.
Curva de Descarga Química LFP Lítio
Por outro lado, essa vantagem também pode se tornar uma desvantagem, pois, devido à curva plana, ler apenas as tensões tornará mais complicado determinar uma correta SOC (estado de carga).
Para evitar essa limitação, o BMS O sistema de gerenciamento da bateria deverá ser projetado de maneira inteligente para fornecer o correto estado de carga e executar as funções de balanceamento da melhor maneira possível.
Uma das muitas vantagens dessa química é a total ausência de cobalto, material que, como já mencionamos, é tóxico, um dos mais impactantes para o meio ambiente.
Muitos fabricantes de bateria de lítio estão atualmente tentando reduzir a porcentagem de cobalto em suas baterias, então a química LFP, sendo livre de cobalto, começa com uma grande vantagem.
Embora apenas alguns anos atrás, Baterias LFP parecia destinado ao esquecimento, pois sua densidade de energia era muito baixa, em torno de 100 Wh / Kg, hoje esta tecnologia
literalmente ressurgiu das cinzas com um aumento muito significativo na densidade de energia, atingindo 170 Wh / Kg em pouco tempo, despertando grande interesse do mundo automotivo.
Novos aumentos na densidade gravimétrica para 220/230 Wh/Kg já são esperados nos próximos anos. É exatamente por isso que muitos fabricantes de automóveis decidiram reintroduzir a química LFP para a eletrificação de seus veículos, principalmente a Tesla, que atualmente a utiliza em sua “gama padrão”
veículos, pois garante um maior nível de segurança, a um custo ligeiramente inferior ao química NMC usado para veículos de alto desempenho. Como TeslaEntão BYD, Volkswagen e muitos outros grandes fabricantes automotivos agora veem um grande potencial na química LFP.
Composição e características das baterias de lítio com química NMC:
Níquel – Manganês – Cobalto (LiNixMnyCozO2)
Até o momento, as baterias com química NMC continuam sendo as mais utilizadas no setor automotivo.
Com esta química, uma energia específica muito alta de até 220 - 240 Wh/kg pode ser conseguida. Esta é claramente uma vantagem competitiva decisiva para um carro, pois permite armazenar uma grande quantidade de energia com baixo peso e volume,
permitindo que mais energia seja instalada no veículo do que outras tecnologias baseadas em lítio.
Existem vários tipos de química NMC:
NMC 111 (Níquel 33.3% – Manganês 33.3% – Cobalto 33.3%)
NMC 622 (Níquel 60% – Manganês 20% – Cobalto 20%)
NMC 811 (Níquel 80% – Manganês 10% – Cobalto 10%)
Composição e características das baterias de lítio com química NCA:
Níquel – Cobalto – Alumínio (LiNiCoAIO2)
As baterias com química NCA também são usadas no setor automotivo juntamente com as baterias NMC. Sua classificação de segurança é ligeiramente inferior à dos NMCs, mas ao mesmo tempo eles têm uma densidade de energia muito alta, atingindo 250-300 Wh/Kg. O NCA A estrutura da célula é muito semelhante à do NMC 811, com alto teor de níquel e baixo teor de cobalto e alumínio. Devido à sua alta capacidade de armazenamento de energia, as baterias de lítio NCA são frequentemente usadas em misturas com produtos químicos NMC para alcançar um compromisso entre densidade de energia, segurança e estabilidade.
Composição e características das baterias de lítio com química LTO
Titanato de lítio (Li4Ti5O12)
É uma química ainda pouco mencionada, mas que parece ser muito promissora em termos de ciclos de vida, pois suas baixas tensões internas e ausência de estresse mecânico permitem que ela se degrade muito pouco, chegando facilmente a 15,000 a 20,000 usos desses ciclos. Particularmente vantajoso, poderia ser utilizado para a eletrificação de carros e veículos de uso muito intenso, mas ainda apresenta alguns problemas que limitam seu uso e difusão.
Seus pontos fracos são 2:
A baixa densidade de energia (177Wh/l) e densidade gravimétrica (60-70 Wh/Kg), bem como uma tensão nominal mais baixa de 2.4 V ou 2.8 V: isso significa que mais células serão necessárias em série para atingir a tensão de bateria desejada .
Seu custo atualmente muito alto, o que se reflete em um baixo número de fabricantes globais de células LTO, provavelmente devido aos atuais baixos volumes exigidos pelo mercado
Suas vantagens, por outro lado, incluem não apenas sua longa vida útil, mas também sua ampla faixa de temperatura e sua excelente suscetibilidade a cargas e descargas de alta potência, ou seja, alta C-Rate (relação entre corrente e capacidade nominal).
O uso ideal da tecnologia LTO são aplicações pesadas, como AGVs (veículos guiados automaticamente): imagine frotas de empilhadeiras autônomas trabalhando 24 horas por dia, 7 dias por semana, que também aproveitam o carregamento rápido para reduzir o tempo de inatividade e, consequentemente, aumentar a eficiência da planta.
Da teoria à prática: usando a química de lítio certa para cada aplicação
Descrevemos os 6 principais tipos de química à base de lítio que atualmente são mais amplamente utilizados nas diversas áreas de eletrificação. Mas não devemos pensar que essas químicas competem entre si, muito pelo contrário! Eles são todos valiosos e de alto desempenho, mas cada produto químico de lítio funciona melhor em diferentes áreas de uso.
Este diagrama mostra uma comparação das várias características dos produtos químicos em termos de:
● Energia Específica ou Densidade Gravimétrica [Wh/Kg]: é a relação entre a quantidade de energia contida (Wh = V x Ah) e o peso da bateria.
● Segurança: que está intimamente relacionada com a estabilidade térmica porque a segurança intrínseca depende muito da estabilidade térmica dos componentes
● C-Rate: taxa de carga/descarga, ou seja, a relação entre a corrente de carga ou descarga (A) e a capacidade nominal da célula (Ah). Este é um parâmetro intimamente ligado à capacidade da célula de gerar energia.
● Ciclo de vida: Número de vezes que a célula pode ser descarregada e carregada até atingir o fim da vida útil, normalmente considerada quando 80% da capacidade residual é atingida.
● Custo
Baterias LFP e LTO para o setor industrial
Na indústria, na agricultura, ou mesmo para a eletrificação de veículos especiais, principalmente se se trata de aplicações altamente cíclicas que estressam a bateria, é melhor usar químicas como LFP e LTO, onde vida útil, confiabilidade e segurança são os requisitos mais importantes.
No mundo industrial, portanto, a questão do espaço é menos constrangedora, assim como não é essencial ter desempenho excessivo ou densidade energética. Ao avaliar a escolha da química certa, o fator mais importante de segurança, portanto, entra em jogo, um aspecto que poucas pessoas querem e podem comprometer.
É melhor ter uma bateria um pouco mais volumosa, mas que ofereça segurança ideal e tenha uma vida útil significativamente mais longa. Existem veículos, como LGVs e AGVs, que precisam ser usados intensivamente e trabalhar incessantemente 3 horas por dia, como resultado, suas baterias farão até 4 ou 4,000 ciclos de carga em um único dia. A química LFP irá, portanto, apoiá-los facilmente com seus mais de XNUMX ciclos de recarga. Se forem necessárias baterias para armazenamento estacionário, então a densidade de energia não significaria quase nada e, pelo contrário, o custo da bateria e os ciclos de vida seriam os elementos por trás da escolha da química. A química LFP encontraria então seu lugar.