Baterias Start-Stop para veículos elétricos híbridos
Visão geral dos veículos híbridos leves e das baterias Start-Stop
O mercado automotivo, que vinha apresentando crescimento sustentado nas vendas, sofreu uma contração repentina após 2009. A produção de veículos elétricos passou a se concentrar cada vez mais no setor "verde" de veículos híbridos e totalmente elétricos. A instalação de um sistema start-stop utilizando baterias convencionais de partida, iluminação e ignição (SLI) exige uma capacidade de carga e densidade de energia excepcionalmente altas, além de proporcionar um desempenho de partida superior em comparação com as baterias SLI padrão. Essa abordagem reduz as emissões de CO₂, mas tais sistemas ainda não atendem às metas de emissão governamentais. Para atingir um nível de custo aceitável, mais funções estão sendo transferidas do motor para a bateria. Isso exige, fundamentalmente, baterias capazes de fornecer maior potência e energia de forma confiável, operando também em altas taxas de carga/descarga em um estado de carga parcial de alta taxa (HRPSoC). As baterias de chumbo-ácido utilizadas nessas condições apresentam vida útil mais curta, o que obriga os fabricantes de veículos elétricos a adotarem baterias de níquel-hidreto metálico (NiMH) e de íon-lítio (Li-ion).
Para manter e expandir a forte posição de mercado das baterias de chumbo-ácido, são necessárias novas baterias com maior energia, potência e vida útil. A tendência de substituição das baterias SLI continua a crescer, enquanto os veículos equipados com sistemas start-stop obtêm um benefício adicional de redução de 3% a 8% nas emissões de CO2. Os veículos elétricos "híbridos leves" e "híbridos completos" alcançam reduções de CO2 ainda maiores (15% a 40%). Os veículos elétricos plug-in ou "híbridos completos" são mais ecológicos. As projeções indicam que as vendas de veículos elétricos "híbridos leves", capazes de reduzir as emissões de CO2 em 10% a 20%, continuarão a crescer entre 2020 e 2025. Por outro lado, os veículos elétricos "híbridos completos" ou híbridos plug-in utilizarão baterias de níquel-hidreto metálico e íon-lítio. Os veículos elétricos híbridos leves ainda dependem principalmente de baterias de chumbo-ácido. Isso representa uma oportunidade de negócios rara e significativa para baterias de chumbo-ácido de alto desempenho. Nos próximos 30 anos, a possibilidade de as baterias de chumbo-ácido avançadas se tornarem a principal fonte de energia para veículos elétricos dependerá de sua capacidade de oferecer longa vida útil e alto desempenho.
Diversas reuniões da Aliança Avançada de Baterias de Chumbo-Ácido discutiram baterias de chumbo-ácido. As causas da curta vida útil e os mecanismos de falha, juntamente com soluções industriais eficazes para abordar esse problema, surgiram na última década. A abordagem mais significativa envolve a adição de aditivos de carbono ao ânodo para prevenir a sulfatação induzida pelas condições de HRPSoC (High Reduction Performance System - Sistema de Carga Rápida de Alta Resistência). Superbaterias com placas de eletrodo negativo de alta capacidade à base de carbono, desenvolvidas pela Furukawa e pela East Penn, surgiram. Fabricantes na Ásia, Europa e Estados Unidos incorporaram pó de carbono de alta área superficial em materiais ativos de eletrodo negativo. Embora essa abordagem prolongue a vida útil, outros parâmetros de desempenho permanecem inalterados.
As baterias de chumbo-ácido utilizam apenas 35% a 40% da capacidade teórica do material ativo, o que é a principal razão para sua capacidade específica e potência específica relativamente baixas. Em baterias de chumbo-ácido avançadas, o aumento da utilização do material ativo oferece um potencial significativo para aumentar a energia específica e a potência específica (Wh/kg, W/kg) em 2 a 3 vezes. Aqui, apresentamos um exemplo bem-sucedido: a seleção de grades vantajosas e a aplicação de um projeto bipolar para aumentar a energia e a potência específicas.
Parâmetros de desempenho de eletrodos bipolares e grades aprimoradas
| Item | Bateria de referência (Bateria de controle) | Nova Grade 1 | Nova Grade 2 | Bateria bipolar |
|---|---|---|---|---|
| Energia específica (Wh/kg) | 45 | 45 | 45 | 55 |
| Potência específica (W/kg) | 450 | 1200 | 900 | 540 |
A adição de aditivos de carbono às baterias de chumbo-ácido avançadas vai além da simples incorporação desses materiais na composição do material ativo do eletrodo negativo. Formas avançadas de carbono podem substituir o chumbo metálico da grade. Grades de carbono combinadas com pasta de chumbo adequada exibem estabilidade de ciclo e durabilidade notavelmente superiores, comparáveis às baterias de níquel-hidreto metálico e íon-lítio, conforme ilustrado no gráfico acima.
As baterias de chumbo-ácido utilizadas em veículos elétricos híbridos apresentam envelhecimento prematuro da capacidade. Além disso, a corrosão e a manutenção acarretam custos adicionais. A principal causa é o modo de operação: as baterias são utilizadas não em carga de flutuação, mas em estado parcialmente carregado com ciclos de carga/descarga de alta frequência. Isso leva à sulfatação das placas negativas, causando degradação da capacidade e redução da vida útil. No entanto, é certo que o desempenho das baterias de chumbo-ácido está melhorando constantemente. Muitos novos projetos conseguem atender aos requisitos mais exigentes das aplicações modernas. Pesquisas futuras garantirão que as baterias de chumbo-ácido continuem sendo a fonte de energia química mais vendida.
