De que são feitas as baterias dos carros elétricos?

A maioria das baterias de carros elétricos é feita de quantidades variáveis de lítio-íon, cobalto, níquel, manganês, silício e eletrólitos. Dentro disso estão as células da bateria, que consistem no ânodo e no cátodo, no separador, no eletrólito e nos coletores de corrente positivos e negativos (pense no lado plano e no lado com a saliência em uma bateria AA). Mas o que isso significa exatamente? Por que lítio? Quais íons? Não se preocupe — estamos aqui para explicar do que são feitas as baterias de carros elétricos.

Para começar, vamos estabelecer que, embora uma bateria Tesla e uma bateria Chevrolet Bolt sejam ambas baterias de íon de lítio, isso não significa que sejam feitas da mesma forma. A química da bateria tem um enorme impacto na forma como um pacote de bateria carrega e descarrega, como ele gerencia o calor, quanta energia cada célula no pacote de bateria pode armazenar e quanto cada célula custa. É por isso que fabricantes de baterias como Panasonic, CATL, Samsung SDI e LG estão sempre tentando ajustar sua química para obter o melhor desempenho e os menores custos.

As receitas exatas para as células de bateria da maioria dos fabricantes não são informações públicas, pois cada empresa tem sua fórmula proprietária. Ainda assim, os ingredientes básicos são mais ou menos os mesmos, então vamos detalhar o que eles são e o que fazem, começando com o lítio.

Lítio

O lítio em uma bateria de íon de lítio ("Li-ion" para abreviar) compõe o cátodo e o ânodo, também conhecidos como os lados positivo e negativo de uma célula de bateria. Os íons de lítio se movem dentro do lado positivo da célula (cátodo) e geram elétrons que, sendo carregados negativamente, querem ir para o lado negativo (ânodo) da bateria, mas não podem por causa do separador entre o cátodo e o ânodo. Isso significa que os elétrons fluirão para fora do lado positivo da bateria, através do seu dispositivo, alimentando-o e, em seguida, de volta para o ânodo.

O lítio na célula não é lítio elementar puro porque é muito reativo com outros elementos para ser seguro. Em vez disso, o lítio usado está na forma de um óxido de metal de lítio, que estabiliza a mistura. Na maioria dos casos, os fabricantes usam óxido de cobalto de lítio no lado do cátodo da bateria e compostos de lítio-carbono no ânodo.

Cobalto

O cobalto é usado em baterias por duas razões principais. Primeiro, ele oferece excelente densidade de energia, o que significa que quanto mais cobalto uma célula de bateria usa (até certo ponto), mais eletricidade ela pode armazenar. A outra vantagem é que o cobalto aumenta a estabilidade térmica de uma célula de bateria. Por que a estabilidade térmica é importante? Em nosso artigo relacionado sobre incêndios em carros elétricos, observamos que quanto menos uma bateria reage às mudanças de temperatura, menos propensa ela é à fuga térmica e, portanto, menos propensa a explodir em um incêndio de lítio difícil de extinguir.

A excessiva dependência do cobalto tem suas desvantagens. O cobalto é considerado um elemento de terras raras e, como o nome sugere, não é muito comum. Isso o torna caro de obter. Ele também tende a ser encontrado em regiões que sofrem de grande instabilidade política e social, o que pode levar a flutuações de preços selvagens, bem como a graves abusos dos direitos humanos por empresas de mineração e os países em que operam.

Esses problemas levaram os fabricantes de baterias a tentar reduzir a quantidade de cobalto em suas químicas. Eles compensam o cobalto com níquel, que é consideravelmente mais barato e menos raro, mas também tem suas desvantagens.

Níquel

O níquel é usado em baterias para aumentar a densidade de energia de uma célula, semelhante ao cobalto. Ao contrário do cobalto, no entanto, as células de bateria ricas em níquel podem ter problemas com microfissuras na superfície do cátodo. Isso pode causar degradação do desempenho em um tempo menor do que uma bateria com menos níquel e mais cobalto.

Ainda há muitas vantagens em usar níquel. Primeiro, ele é vendido por cerca de US$ 18.000 a US$ 21.000 por tonelada, em comparação com o cobalto, que regularmente custa mais de US$ 30.000 por tonelada e tem maiores flutuações de preço. Em seguida, essas microfissuras que causam perda de desempenho podem ser mitigadas usando um "gradiente" na construção do cátodo. Isso significa que o centro do cátodo é principalmente níquel e, em seguida, outros metais com diferentes características de desempenho são sobrepostos a ele.

Manganês

O terceiro ingrediente principal em muitas químicas de bateria é o manganês. Enquanto o níquel e o cobalto trabalham com o lítio para aumentar o armazenamento de energia, o manganês mantém tudo junto e estável. É um aditivo estrutural e, como tal, é usado em porcentagens menores do que o níquel ou o cobalto.

Silício

O silício é usado no ânodo junto com lítio e carbono para aumentar a densidade de energia. Quando você aumenta a densidade de energia no lado positivo da célula com níquel e cobalto, esses elétrons precisarão de um lugar para ir após sua viagem pelos motores do seu EV. O silício é ótimo porque é estável, barato e pode conter cerca de 10 vezes mais elétrons do que o grafite.

Eletrólito

Sem um eletrólito em uma célula de bateria, não haveria como os elétrons se moverem do ânodo para o cátodo durante o carregamento. É o molho secreto que faz toda a bateria funcionar. Existem vários tipos de eletrólitos e a química pode se tornar complexa, mas eles se dividem em algumas famílias diferentes.

Soluções aquosas são líquidas, enquanto soluções não aquosas não são. Então temos líquidos iônicos, que são mais estáveis à temperatura e têm melhores características de transferência do que soluções aquosas e não aquosas orgânicas. Em seguida, existem eletrólitos poliméricos, que usam plásticos como seus agentes de ligação. Por fim, temos eletrólitos híbridos, que são híbridos dos outros tipos.

Separador

A principal função do separador dentro de uma célula é evitar que curtos-circuitos ocorram, separando o cátodo e o ânodo. O separador é tipicamente feito de plástico microporoso e permite algum fluxo de elétrons do cátodo diretamente para o ânodo, o que é conhecido como autodescarga. Isso é normal, mas quando uma célula fica muito quente, o separador atua como uma espécie de fusível para a célula. O plástico no separador derrete e esses microporos se fecham, isolando totalmente um lado da célula do outro e, com sorte, evitando um incêndio desagradável.

Edmunds diz

Há muita química avançada acontecendo dentro da bateria de um carro elétrico. Como muitas baterias de EV dependem de metais de terras raras, elas compõem a parte mais cara do veículo e são parte da razão pela qual os preços de varejo sugeridos permanecem altos.