Cientistas nos EUA reivindicaram um avanço tecnológico que poderá ajudar a resolver uma das principais preocupações em torno dos veículos 100% elétricos, ao apresentar uma tecnologia teoricamente capaz de adicionar 320 km de autonomia a uma bateria, em apenas 10 minutos de tempo de carregamento.

No artigo publicado no jornal científico Joule, investigadores da Universidade estadual da Pensilvânia referem que uma velocidade de carregamento tão rápida exige que uma bateria absorva rapidamente 400 quilowatts de energia.

O paper “(Asymmetric Temperature Modulation for Extreme Fast Charging of Lithium-Ion Batteries”) foi publicado no jornal científico Joule. Pode aceder aqui.

Ora, os veículos atuais não são capazes desse registo, sob pena do lítio se deteriorar e afetar também o elétrodo ânodo (pois começa a formar-se lítio metálico à volta do lado negativo da bateria), comprometendo grandemente a vida útil da bateria.

Aumentar a temperatura e depois baixar

Para contornar este problema técnico, os investigadores em causa aumentaram a temperatura da sua bateria experimental para 60 graus Celsius durante o ciclo de carga e, em seguida, baixaram-na novamente enquanto estava a ser usada.

A elevação da temperatura elimina a formação de lítio metálico e ao ser limitado o tempo de exposição a 60°C a apenas cerca de 10 minutos por ciclo de carregamento, ou seja, 0,1% da vida útil de um BEV, isso permite impedir o crescimento de eletrólitos sólidos na interface.

O que este “sobe-e-desce” térmico (tecnicamente designado de modulação assimétrica da temperatura) fez foi “limitar a exposição da bateria à temperatura de carga elevada, gerando assim uma vida útil muito longa”, explica o principal responsável do estudo, Chao-Yang Wang, engenheiro mecânico da Pennsylvania State University.

Para reduzir o tempo de aquecimento e aquecer toda a bateria a uma temperatura uniforme, Wang e os seus colegas idealizaram um design de bateria de iões de lítio com uma estrutura de níquel com aquecimento automático que pré-aquece em menos de trinta segundos.

Dez minutos de carga
dão 320 km de autonomia

Os investigadores testaram o seu modelo a 40, 49 e 60 graus Celsius, tendo ainda efetuado um modelo de controle a 26 graus Celsius, usando várias estratégias de arrefecimento para manter as temperaturas de carga constantes.

O Nobel da Química de 2019 foi atribuído a John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino pelo desenvolvimento de baterias de iões de lítio. Recorde a história aqui.

Para confirmar que não se formou lítio metálico à volta do eléctrodo ânodo, as células foram posteriormente abertas para análise.

1700 ciclos de carga vs. 60 ciclos

Wang e a sua equipa descobriram que as baterias pré-aquecidas a 60°C poderiam sustentar o processo de carregamento extremamente rápido durante 1700 ciclos, enquanto a célula de controle só conseguia acompanhar esse ritmo em 60 ciclos.

Assim, Chao-Yang Wang e a sua equipa mostrou que uma célula de iões de lítio de alta energia (209 Wh/kg) através desta modulação térmica assimétrica retém 91,7% da capacidade após 2500 ciclos XFC (carregamento extremamente rápido, do inglês, “extreme fast charging”), o que corresponde a perto de 805 mil quilómetros de autonomia, excedendo em muito a meta do Departamento de Energia dos EUA de 500 ciclos com 20% de perda.

Apesar de Chao-Yang Wang estimar que estas baterias possam chegar ao mercado nos próximos dois ou três anos depois de vários testes, em declarações à Agência France Press, Rick Sachleben, membro do American Chemical Society, a Sociedade Química norte-americana, refere com mais prudência que o processo de escalar esta patente e colocá-la no mercado é algo que pode levar uma década.

Rick Sachleben lembra que os fabricantes precisam de assegurar que o aumento rápido da temperatura seja seguro e estável e não conduza a explosões, dada a quantidade enorme de energia que está a ser transferida.

“O carregamento rápido é um dos santos Graal dos veículos elétricos”, diz Sachleben: “É uma das coisas necessárias para eles competirem com os automóveis com motores de combustão interna”.

Próximo passo: 5 minutos!

A equipa científica de Wang está, aliás, a planear levar o seu projeto mais à frente, como o próprio investigador sénior da Universidade da Pensilvânia dá conta: “Estamos a trabalhar para carregar uma bateria de um veículo elétrico com muita energia em cinco minutos sem danificá-la. Isso exigirá eletrólitos e materiais ativos altamente estáveis, além da estrutura de auto-aquecimento que inventamos”.

No Watts On estamos ansiosos por conhecer e dar a conhecer a próxima evolução deste promissor avanço!

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