Um guia GlobalData para tecnologias concorrentes de powertrain EV
As baterias são os barris de petróleo do século XXI
Ao longo da última década, a indústria das baterias progrediu o suficiente para permitir a electrónica de consumo portátil, a Internet móvel, os primeiros carros eléctricos e a adopção inicial do armazenamento e geração intermitente de energia renovável. Dado o papel de aceleração e expansão da energia armazenada no combate às alterações climáticas, esta tornar-se-á uma das indústrias mais significativas do mundo nos próximos dez anos.
Haverá baterias suficientes?
À medida que os governos de todo o mundo levam a sério a descarbonização das suas economias, a procura por baterias baratas, seguras, de alto desempenho, duradouras e com baixa pegada de carbono aumentará, principalmente por parte da indústria automóvel.
Consequentemente, os estrangulamentos na cadeia de abastecimento irão materializar-se durante a próxima década. A falta de matérias-primas de baixo custo e fáceis de purificar para alimentar as gigafábricas de baterias existentes e planeadas no mundo é a maior ameaça à segurança do abastecimento. Além disso, o declínio do investimento em minas minerais cruciais – juntamente com a crescente importância dos factores ambientais, sociais e de governação (ESG) – restringirá o desenvolvimento de novas capacidades.
Provavelmente haverá uma escassez global grave, mas temporária, de baterias até 2025, devido a um aumento acentuado na procura de veículos eléctricos (VE) e à escassez de metais extraídos e refinados para baterias. No entanto, a indústria está a investir fortemente para evitar que isto se torne uma ameaça sustentada, reduzindo a utilização de materiais escassos, desenvolvendo novos materiais e tecnologias de baterias e, o mais importante, criando uma indústria global de reciclagem de baterias.
Entretanto, o controlo da China sobre toda a cadeia de abastecimento global, desde minas e refinarias até marcadores de componentes e produtores de células, é uma questão geopolítica crescente. Os EUA e a Europa estão a tomar medidas significativas para reduzir a dependência da China nas suas cadeias de fornecimento de baterias até 2030. A reciclagem de baterias tem tanto a ver com geopolítica como com sustentabilidade ambiental. A economia circular das baterias será fundamental para a transição energética, e as nações (e as empresas) devem desenvolver a reciclagem doméstica à medida que os volumes de VE e os volumes em fim de vida aumentam acentuadamente.
A química – alguns princípios básicos
As tecnologias de bateria abrangem muitos produtos químicos, diferentes tipos de células e tecnologias alternativas.
Uma bateria é um recipiente que consiste em uma ou mais células eletroquímicas nas quais a energia química é convertida em eletricidade. Eles são usados como fonte de poder. As baterias são facilitadores críticos de muitas outras tecnologias. Eles são essenciais para o estilo de vida móvel moderno e para a produção em massa de veículos elétricos (EVs). As tecnologias de baterias e armazenamento de energia serão fundamentais na transição para as energias renováveis.
Existem dois tipos de células de bateria: células primárias e células secundárias.
- As células primárias produzem uma corrente elétrica por uma reação química irreversível e são chamadas de baterias descartáveis.
- As células secundárias criam esta corrente elétrica através de uma reação química reversível. Muitas vezes são chamadas de baterias recarregáveis ou células de armazenamento.
Uma célula de combustível é outra fonte de energia, mas não é uma bateria. As baterias criam energia usando os produtos químicos que já estão dentro delas. Em contraste, uma célula de combustível utiliza um fornecimento externo contínuo de combustível que flui através dela como fonte de produtos químicos para a geração de eletricidade. As células de combustível têm sido usadas em sondas espaciais não tripuladas, em carros e para energia de emergência de reserva. No entanto, os combustíveis utilizados – normalmente o hidrogénio – foram considerados demasiado perigosos para o uso quotidiano.
As baterias convertem energia química em energia elétrica
As baterias armazenam energia química e a convertem em energia elétrica por meio de uma reação eletroquímica. Eles consistem em três componentes principais: um eletrodo positivo (cátodo), um eletrodo negativo (ânodo) e um eletrólito. Os dois eletrodos são feitos de materiais diferentes. Os eletrodos são separados uns dos outros por um separador semipermeável a determinadas espécies químicas, e a bateria fica alojada em um invólucro.
Quando uma bateria é conectada a um circuito elétrico, ocorre uma reação eletroquímica. Os elétrons fluem do ânodo, através do fio para alimentar um dispositivo conectado e para o cátodo.
Cada célula de bateria contém uma quantidade limitada de material reativo. Eventualmente, os processos eletroquímicos dentro da bateria irão parar de fornecer elétrons ao eletrodo negativo e a eletricidade irá parar de fluir. Por esta razão, a potência disponível numa bateria é limitada.
Recarregando
As baterias secundárias podem ser recarregadas usando uma fonte externa, como painéis solares, turbinas eólicas, freios de automóveis ou eletricidade. Durante a recarga, as reações eletroquímicas acontecem ao contrário, restaurando a célula e seus componentes para perto do seu estado original. No entanto, fenómenos como o endurecimento da bateria e a formação de dendritos impedem que as baterias sejam recarregadas um número infinito de vezes. Os dendritos podem causar curto-circuitos perigosos, embora estejam sendo desenvolvidos separadores de cerâmica para ajudar a aliviar o problema.
O íon-lítio (Li-ion) é a tecnologia de bateria dominante para dispositivos conectados (por exemplo, laptops e smartphones), veículos elétricos (EVs) e armazenamento de energia renovável em casa. Em todos esses casos de uso, a segurança é de suma importância. O íon-lítio vence nesses campos devido à sua segurança. À medida que cresce a procura por baterias mais pequenas, mais potentes e com ciclos de vida mais longos, os investigadores estão a tentar ativamente resolver os problemas de curto-circuito e sobreaquecimento, que podem levar a incêndios e explosões perigosos.
As células de íon-lítio armazenam mais energia para um determinado peso (densidade de energia)
As células de íon-lítio podem armazenar mais energia para um determinado peso e volume do que as baterias de chumbo-ácido ou à base de NiMH e permitem recarga e descarga mais rápidas. Estas propriedades tornam-nos ideais para armazenamento de energia para veículos eléctricos, onde é essencial uma grande densidade de energia num pacote leve.
As baterias de fosfato de ferro-lítio (LFP) são outro tipo de bateria usado nos eletrônicos portáteis atuais. Os LFPs têm uma densidade de energia mais baixa do que as baterias de íon-lítio, portanto, esta última é a opção típica para eletrônicos que consomem muita energia e que esgotam as baterias em altas taxas. No entanto, os LFPs podem suportar altas temperaturas com degradação mínima e são adequados para objetos que precisam funcionar por longos períodos antes de serem carregados. Além disso, as baterias LFP normalmente têm mais ciclos de vida do que as baterias de íon-lítio. Ou seja, podem ser carregados e descarregados mais vezes. Indiscutivelmente, uma das maiores vantagens dos LFPs em relação às baterias de íon-lítio é a segurança. A estabilidade térmica e química melhorada significa que os LFPs permanecem frios em temperaturas quentes e são incombustíveis (não pegam fogo) se manuseados incorretamente durante carga ou descarga rápida, ou durante curto-circuito.
Também estão sendo desenvolvidos produtos químicos avançados para baterias que podem oferecer vantagens em relação às baterias disponíveis comercialmente.
As vantagens de desempenho incluem peso mais leve, maior densidade de energia, tolerância de temperatura mais ampla, ciclo de vida estendido e segurança aprimorada. Por exemplo, o eletrólito líquido nas baterias de íon-lítio pode se tornar incrivelmente volátil se exposto ao ar externo, como durante uma colisão ou falha na estrutura da célula. Os incêndios em baterias de lítio são especialmente violentos e difíceis de extinguir, muitas vezes precisando ser completamente imersos em água por vários dias para se tornarem totalmente inertes. Não há evidências que sugiram que os incêndios em veículos elétricos ocorram com maior frequência do que os incêndios em veículos de combustão – na verdade, podem até ser estatisticamente menos prováveis.
No entanto, os fabricantes de EV ainda devem garantir ao público que os seus veículos são seguros. O desastroso lançamento do Galaxy Note 7 pela Samsung, um smartphone atormentado por incêndios em baterias de iões de lítio, colocou os perigos potenciais desta química da bateria aos olhos do público – um erro que os fabricantes de veículos eléctricos não vão querer repetir.
Baterias de estado sólido são a próxima opção mais viável
As células de estado sólido geralmente usam a mesma reação química baseada em íons de lítio para armazenar e descarregar energia que as células convencionais. A diferença está no eletrólito usado para separar o ânodo e o cátodo. As células convencionais usam um eletrólito de base líquida – geralmente um sal de lítio suspenso em um solvente orgânico – enquanto as células de estado sólido trocam isso por um eletrólito sólido fino como um wafer, geralmente feito de cerâmica, polímero ou vidro.
A remoção do eletrólito líquido traz muitos benefícios potenciais. As células de estado sólido são mais leves e compactas do que as suas equivalentes de base líquida, o que significa que o peso do pacote pode ser reduzido ou a capacidade de energia aumentada. Eles devem ser mais resistentes à formação de dendritos de lítio, o que melhorará o desempenho de descarga de energia e aumentará as velocidades potenciais de carregamento, além de prolongar a vida útil da bateria. Além disso, uma vez alcançada a produção em massa, elas deverão ser mais fáceis e rápidas de fabricar do que as células convencionais de íons de lítio, graças à remoção de solventes industriais.
Existem benefícios ainda mais pronunciados oferecidos pelas células de estado sólido no campo da segurança da bateria. Incêndios causados por células de íons de lítio defeituosas ou danificadas foram amplamente divulgados (por exemplo, Chevrolet Bolt e suas baterias fornecidas pela LG). Em muitos casos, estes incêndios ocorrem porque uma falha interna ou danos externos fizeram com que o eletrólito volátil de lítio ficasse exposto ao ar exterior, provocando a sua ignição e desencadeando uma reação em cadeia que pode destruir toda a bateria. Os eletrólitos sólidos evitam totalmente esses problemas e são altamente resistentes ao fogo e à explosão – mesmo no caso de serem perfurados ou impactados.
Embora ofereçam muitos benefícios teóricos, nenhuma empresa demonstrou ainda a capacidade de fabricar células de estado sólido em massa para veículos leves, e a maioria ainda está em fase de teste de bancada. Ainda há alguns problemas a serem resolvidos, incluindo o projeto do eletrólito sólido e dos eletrodos de forma que eles interajam uniformemente em toda a superfície, porque qualquer deformação pode criar lacunas que limitam a eficiência da célula. Além disso, a estabilidade do material demonstrou ser um problema, com a fragilidade do eletrólito levando a fraturas microscópicas que limitam o desempenho da célula.
A Blue Solutions, uma subsidiária da francesa Bolloré, ganhou um contrato para fornecer suas células de estado sólido para o ônibus urbano articulado eCitaro G da Daimler – o primeiro acordo de fornecimento comercial registrado para a tecnologia. No entanto, o pacote de estado sólido opcional precisa ser aquecido deliberadamente a uma temperatura operacional relativamente alta, entre 50°C e 80°C – minando parte do alcance do processo e tornando-o inadequado para uso em veículos leves com seus padrões de uso imprevisíveis.
Células de combustível (hidrogénio) – uma aposta a longo prazo
Os veículos elétricos a células de combustível (FCEVs) geram energia a bordo através da oxidação do combustível – geralmente hidrogénio – através de uma membrana de célula de combustível, sendo a única emissão água. Essa energia pode ser enviada diretamente ao motor elétrico ou armazenada em uma bateria separada para uso posterior. Os FCEVs podem ser rapidamente “reabastecidos” de forma semelhante aos veículos de combustão, reabastecendo o tanque com hidrogênio, eliminando o longo período de recarga exigido pelos BEVs. O impulso para o hidrogénio também é parcialmente impulsionado pelo seu papel potencial como parte de uma economia energética circular. Aqui, a energia renovável eólica ou hidroelétrica é usada para extrair o hidrogênio da água do mar. O hidrogênio atua então como um armazenamento para a energia fora dos horários de pico gerada por essas fontes.
Embora os FCEV tenham muitos benefícios potenciais, a tecnologia precisa de ser aperfeiçoada antes de poder competir com os BEV. O custo de geração de hidrogênio é atualmente superior ao custo de produção de gasolina, tornando os reabastecimentos caros. Além disso, a infraestrutura para suportar os FCEV ainda não foi construída, enquanto as redes de recarga de VE já estão a crescer rapidamente.
Os FCEVs podem ser de maior valor para veículos pesados e comerciais. As baterias são pesadas, por isso não são adequadas para caminhões de longo alcance porque o peso das baterias necessárias consumiria muita capacidade potencial de carga. As rotas previsíveis que os camiões de longo alcance percorrem também exigem menos estações de reabastecimento de hidrogénio para servirem de forma eficaz.
Em essência, os FCEV são vistos na indústria como uma provável direção de viagem para o transporte a longo prazo – com as suas aplicações provavelmente inicialmente em veículos comerciais pesados, juntamente com redes de estações de carregamento em circuito fechado.
Retirado de Apenas carro
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