O segredo para uma longa vida útil das baterias recarregáveis ​​pode estar na aceitação das diferenças. Uma nova modelagem de como as células de íon-lítio em um conjunto se degradam mostra uma maneira de adaptar o carregamento à capacidade de cada célula, para que as baterias de veículos elétricos possam suportar mais ciclos de carga e evitar falhas.

A pesquisa, publicada em 5 de novembro emTransações IEEE sobre Tecnologia de Sistemas de Controle, demonstra como o gerenciamento ativo da quantidade de corrente elétrica que flui para cada célula em uma bateria, em vez de fornecer carga uniformemente, pode minimizar o desgaste. Essa abordagem permite que cada célula tenha a melhor e mais longa vida útil possível.

Segundo Simona Onori, professora de Stanford e autora principal do estudo, as simulações iniciais sugerem que as baterias gerenciadas com a nova tecnologia poderiam suportar pelo menos 20% mais ciclos de carga e descarga, mesmo com carregamento rápido frequente, o que impõe uma pressão extra à bateria.

A maioria dos esforços anteriores para prolongar a vida útil das baterias de carros elétricos concentrou-se em aprimorar o design, os materiais e a fabricação de células individuais, partindo da premissa de que, como elos de uma corrente, uma bateria é tão boa quanto sua célula mais frágil. O novo estudo parte do princípio de que, embora os elos fracos sejam inevitáveis ​​— devido a imperfeições de fabricação e ao fato de algumas células se degradarem mais rapidamente do que outras quando expostas a estresses como o calor —, eles não precisam comprometer toda a bateria. A chave é ajustar as taxas de carregamento à capacidade específica de cada célula para evitar falhas.

“Se não forem devidamente tratadas, as heterogeneidades entre as células podem comprometer a longevidade, a saúde e a segurança de uma bateria e induzir uma falha prematura”, disse Onori, professor assistente de engenharia de ciência da energia na Escola de Sustentabilidade Doerr de Stanford. “Nossa abordagem equaliza a energia em cada célula da bateria, levando todas as células ao estado de carga final desejado de forma equilibrada e melhorando a longevidade da bateria.”

Inspirado a construir uma bateria com duração de um milhão de milhas.

Parte do ímpeto para a nova pesquisa remonta a um anúncio feito em 2020 pela Tesla, a empresa de carros elétricos, sobre o desenvolvimento de uma "bateria de um milhão de milhas". Essa seria uma bateria capaz de alimentar um carro por 1 milhão de milhas ou mais (com recargas regulares) antes de chegar ao ponto em que, como a bateria de íon-lítio de um celular ou laptop antigo, a bateria do veículo elétrico retém carga insuficiente para funcionar.

Uma bateria desse tipo excederia a garantia típica das montadoras para baterias de veículos elétricos, de oito anos ou 160.000 quilômetros. Embora as baterias geralmente durem mais do que o período de garantia, a confiança do consumidor em veículos elétricos poderia ser reforçada se as caras substituições de baterias se tornassem ainda mais raras. Uma bateria que ainda consegue reter carga após milhares de recargas também poderia facilitar a eletrificação de caminhões de longa distância e a adoção de sistemas chamados "veículo para rede" (V2G), nos quais as baterias dos veículos elétricos armazenariam e distribuiriam energia renovável para a rede elétrica.

“Mais tarde, foi explicado que o conceito de bateria de um milhão de milhas não era realmente uma nova química, mas apenas uma maneira de operar a bateria sem que ela utilizasse toda a sua capacidade de carga”, disse Onori. Pesquisas relacionadas têm se concentrado em células individuais de íon-lítio, que geralmente não perdem capacidade de carga tão rapidamente quanto os conjuntos completos de baterias.

Intrigada, Onori e dois pesquisadores de seu laboratório – o pós-doutorando Vahid Azimi e o doutorando Anirudh Allam – decidiram investigar como o gerenciamento criativo de tipos de baterias existentes poderia melhorar o desempenho e a vida útil de um conjunto completo de baterias, que pode conter centenas ou milhares de células.

Um modelo de bateria de alta fidelidade

Como primeiro passo, os pesquisadores criaram um modelo computacional de alta fidelidade do comportamento da bateria, que representava com precisão as mudanças físicas e químicas que ocorrem dentro de uma bateria durante sua vida útil. Algumas dessas mudanças acontecem em questão de segundos ou minutos – outras, ao longo de meses ou até mesmo anos.

“Até onde sabemos, nenhum estudo anterior utilizou o tipo de modelo de bateria de alta fidelidade e com múltiplas escalas temporais que criamos”, disse Onori, diretor do Laboratório de Controle de Energia de Stanford.

Simulações realizadas com o modelo sugeriram que um conjunto de baterias moderno pode ser otimizado e controlado ao se levar em conta as diferenças entre suas células constituintes. Onori e seus colegas preveem que seu modelo será usado para orientar o desenvolvimento de sistemas de gerenciamento de baterias nos próximos anos, que poderão ser facilmente implementados em projetos de veículos já existentes.

Não são apenas os veículos elétricos que podem se beneficiar. Praticamente qualquer aplicação que "exija muito da bateria" pode ser uma boa candidata para uma melhor gestão, baseada nos novos resultados, disse Onori. Um exemplo? Aeronaves elétricas semelhantes a drones, com decolagem e pouso vertical, às vezes chamadas de eVTOL, que alguns empreendedores esperam operar como táxis aéreos e fornecer outros serviços de mobilidade aérea urbana na próxima década. Ainda assim, outras aplicações para baterias recarregáveis ​​de íon-lítio são promissoras, incluindo a aviação geral e o armazenamento em larga escala de energia renovável.

“As baterias de íon-lítio já mudaram o mundo de muitas maneiras”, disse Onori. “É importante que aproveitemos ao máximo essa tecnologia transformadora e suas sucessoras.”