A próxima geração de veículos elétricos pode ser impulsionada por baterias de lítio metálico que permitem uma autonomia de 500 a 700 milhas com uma única carga, o dobro da autonomia das baterias de íon de lítio convencionais nos VE atuais.
Porém, a tecnologia de lítio metálico apresenta sérias desvantagens: a bateria perde rapidamente sua capacidade de armazenar energia após poucos ciclos de carga e descarga, o que é altamente impraticável para motoristas que esperam que carros elétricos recarregáveis operem por anos.
Cientistas têm testado uma variedade de novos materiais e técnicas para melhorar a vida útil da bateria. Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford descobriram uma solução de baixo custo: simplesmente esgotar a bateria e deixá-la descansar por várias horas. Essa abordagem direta, descrita em um estudo publicado em 7 de fevereiro na revista Nature, restaurou a capacidade da bateria e melhorou seu desempenho geral.
“Estávamos procurando a maneira mais fácil, barata e rápida de melhorar a vida útil do lítio metálico”, disse Wenbo Zhang, coautor do estudo e estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais em Stanford. “Descobrimos que, ao descansar a bateria no estado descarregado, a capacidade perdida pode ser recuperada e a vida útil do ciclo aumentada. Essas melhorias podem ser realizadas apenas reprogramando o software de gerenciamento da bateria, sem custo adicional ou alterações necessárias para equipamentos, materiais ou fluxo de produção.”
Melhorando vida útil das baterias de lítio
Os resultados do estudo podem fornecer aos fabricantes de VE insights práticos sobre a adaptação da tecnologia de lítio metálico às condições reais de direção, disse o autor sênior Yi Cui, professor de ciência e engenharia de materiais na Escola de Engenharia e professor de ciência e engenharia de energia na Escola de Sustentabilidade Doerr de Stanford.
“As baterias de lítio metálico têm sido objeto de muitas pesquisas”, disse Cui. “Nossas descobertas podem ajudar a orientar estudos futuros que contribuirão para o avanço das baterias de lítio metálico em direção à adaptação comercial generalizada.”
Uma bateria de íon de lítio convencional consiste em dois eletrodos – um ânodo de grafite e um catodo de óxido de metal de lítio – separados por um eletrólito líquido ou sólido que transporta íons de lítio para frente e para trás.
Em uma bateria de lítio metálico, o ânodo de grafite é substituído por lítio metálico eletrodepositado, o que permite armazenar o dobro de energia de uma bateria de íon de lítio no mesmo espaço. O ânodo de lítio metálico também pesa menos que o ânodo de grafite, o que é importante para os VE. As baterias de lítio metálico podem armazenar pelo menos um terço a mais de energia por libra do que as de íon de lítio.
“Um carro equipado com uma bateria de lítio metálico teria o dobro da autonomia de um veículo elétrico de íon de lítio de tamanho equivalente – 600 milhas por carga versus 300 milhas, por exemplo”, disse Philaphon Sayavong, coautor do estudo e estudante de doutorado em química. “Nos VE, o objetivo é manter a bateria o mais leve possível enquanto se estende a autonomia do veículo.”
A carga e a descarga contínuas fazem com que as baterias de lítio metálico se degradem rapidamente, tornando-as inúteis para a condução rotineira.
“Um VE com uma bateria de lítio metálico de última geração perderia autonomia a uma taxa muito mais rápida do que um VE alimentado por uma bateria de íon de lítio”, disse Zhang. Em trabalhos anteriores, Sayavong e seus colegas descobriram que a matriz SEI começa a se dissolver quando a bateria está ociosa. Com base nessa descoberta, a equipe de Stanford decidiu ver o que aconteceria se a bateria fosse permitida a descansar enquanto estivesse descarregada.
“O primeiro passo foi descarregar completamente a bateria para que não houvesse corrente passando por ela”, disse Zhang. “A descarga retira todo o lítio metálico do ânodo, então tudo o que resta são pedaços inativos de lítio isolados cercados pela matriz SEI.”
O próximo passo foi deixar a bateria ociosa.
“Descobrimos que se a bateria descansar no estado descarregado por apenas uma hora, parte da matriz SEI que envolve o lítio morto se dissolve”, disse Sayavong. “Então, quando você recarrega a bateria, o lítio morto se reconectará ao ânodo, porque há menos massa sólida no caminho.”
A reconexão com o ânodo traz de volta à vida o lítio morto, permitindo que a bateria gere mais energia e estenda sua vida útil.
“Anteriormente, pensávamos que essa perda de energia era irreversível”, disse Cui. “Mas nosso estudo mostrou que podemos recuperar a capacidade perdida simplesmente descansando a bateria descarregada.”
Usando microscopia de vídeo em lapso de tempo, os pesquisadores confirmaram visualmente a desintegração da SEI residual e a subsequente recuperação do lítio morto durante a fase de descanso.
