Carregar veículos elétricos alguma vez será tão rápido como meter gasolina?

Os tempos lentos de carregamento estão a afastar potenciais clientes, mas a ciência emergente diz que é possível conceber uma bateria de carregamento rápido.

Publicado 17/06/2021, 11:36
Veículos Elétricos

Veículos elétricos carregam numa nova estação em Braintree, no Reino Unido, na terça-feira, dia 15 de dezembro de 2020. Os investigadores estão a aproximar-se de uma bateria que consegue recarregar em 10 minutos ou menos.

Fotografia de CHRIS RATCLIFFE, BLOOMBERG/GETTY IMAGES

Os veículos elétricos estão rapidamente a ganhar popularidade, mas alguns potenciais compradores continuam hesitantes. Um dos grandes motivos para esta hesitação é o carregamento lento dos veículos. Embora os condutores da atualidade estejam habituados a encher um depósito de gasolina em menos de três minutos, os veículos elétricos, dependendo do tamanho e das especificações da bateria, normalmente demoram pelo menos 30 minutos para carregar 80% nas estações de recarga mais rápidas.

Porém, daqui a cinco ou 10 anos, pode ser possível um carregamento muito mais rápido. As empresas estão a desenvolver novos materiais para as baterias de ião-lítio, bem como novas baterias de “estado sólido”, que são mais estáveis para as velocidades de carregamento mais rápidas. Estas baterias podem eventualmente alcançar taxas de recarregamento de 20 minutos ou menos.

Enquanto isso, uma equipa de cientistas projetou recentemente um protótipo de bateria de lítio que, em condições laboratoriais, consegue recarregar mais de 50% da sua capacidade em apenas três minutos – e consegue fazê-lo milhares de vezes sem uma degradação significativa. Isto, dizem os investigadores, pode abrir caminho para baterias que podem recarregar completamente em apenas 10 minutos.


No entanto, ainda existem desafios científicos e de engenharia a superar antes de as baterias de carregamento ultrarrápido serem tecnicamente viáveis e acessíveis. Alguns especialistas também questionam se os veículos elétricos, que podem ser carregados assim tão depressa, são realmente o futuro que desejamos – pelo menos com a rede elétrica que temos agora.

A carregar

As baterias dos veículos elétricos de hoje são compostas por milhares de células de ião-lítio com capacidade para armazenar e libertar energia milhares de vezes. Cada uma destas células consiste em dois elétrodos – um cátodo de metal e um ânodo de grafite – separados por um eletrólito líquido. Quando a bateria está a carregar, os iões de lítio fluem através do líquido do cátodo para o ânodo, preenchendo os espaços entre as camadas de grafite como se fossem blocos de madeira encaixados numa torre de Jenga.

A velocidade com que os iões de lítio se movem do cátodo para o ânodo determina a rapidez com que a bateria carrega. Mas, tal como colocar blocos numa torre de Jenga à pressa pode fazer com que a estrutura se torne instável, se o lítio for forçado demasiado depressa para o ânodo, começam a surgir problemas.

Com altas velocidades de carregamento, as baterias de lítio podem superaquecer, provocando a sua degradação ao longo do tempo. De forma mais problemática, o lítio pode começar a acumular-se na superfície do ânodo em vez de entrar nele, um fenómeno designado por revestimento de lítio. Este problema pode não só reduzir drasticamente a capacidade da bateria, como os depósitos de lítio acabam eventualmente por formar estruturas semelhantes a filamentos, conhecidas por dendritos. Assim que se começam a formar, estes dendritos podem crescer ao longo do eletrólito, tocar no cátodo e criar um curto-circuito, fazendo com que a bateria se incendeie ou expluda.

“Como é óbvio, isto não é particularmente bom do ponto de vista de segurança”, diz Peter Slater, professor de química de materiais da Universidade de Birmingham, no Reino Unido.

Devido aos problemas com o carregamento rápido, todas as baterias têm limites integrados de velocidade de carregamento, limites que são definidos pelas portas de carga nos veículos. Uma estação de carregamento rápido de 350 quilowatts – o carregador público mais poderoso atualmente disponível nos EUA – pode, em teoria, carregar a bateria de 95 quilowatts-hora de um Audi E-tron SUV em cerca de 16 minutos. Mas esta bateria só consegue, no máximo, aceitar cerca de 150 quilowatts de energia, colocando o seu limite real de carregamento perto dos 40 minutos.

A velocidade exata de recarga de uma bateria no mundo real não depende apenas do carregador ou de quantos quilowatts de energia a bateria foi projetada para aceitar, mas sim do tamanho da bateria, do quão carregada está e até mesmo do clima. Ainda assim, as estações de carregamento rápido de última geração conseguem frequentemente carregar uma bateria até 80% em cerca de 30 minutos, potencialmente adicionando centenas de quilómetros de alcance. (Quando uma bateria tem uma carga de 80%, a velocidade de carregamento diminui para evitar que a bateria seja danificada.) Os proprietários de veículos Tesla podem visitar uma estação de carregamento rápido que adiciona até 320 quilómetros de alcance em 15 minutos.

Um futuro de carregamento ultrarrápido?

Embora adicionar 320 quilómetros de alcance em 15 minutos seja rápido, está muito longe de um depósito de gasolina que é atestado em menos de três minutos. As pessoas que aguardam por uma experiência de carregamento como esta podem querer esperar pela próxima geração de tecnologia de baterias.

Uma forma de fazer uma bateria de ião-lítio que consiga carregar com segurança ainda mais depressa é através do uso de materiais de ânodo alternativos. Por exemplo, a startup Echion technologies, com base no Reino Unido, desenvolveu um ânodo de nióbio que evita a criação do revestimento de lítio ou a formação de dendritos. As baterias feitas com este material podem ser carregadas “tão depressa quanto desejarmos”, diz Jean De La Verpilliere, CEO da empresa. Este protótipo de células de bateria pode ser carregado em seis minutos “sem afetar a segurança ou a vida útil da bateria”, diz Jean.

Contudo, este carregamento rápido tem um preço: os ânodos de nióbio armazenam menos energia por unidade de massa do que os de grafite convencionais. Como os fabricantes de veículos elétricos tendem a priorizar baterias com alta densidade energética (que podem funcionar durante mais tempo com uma só carga) em vez de baterias de carregamento ultrarrápido, a Echion está atualmente a visar outros mercados para as suas baterias, como o armazenamento de rede e ferramentas elétricas. Eventualmente, Jean prevê que uma versão destas baterias possa ser usada em frotas de veículos onde qualquer tempo de inatividade para recarregar representa prejuízo para uma empresa.

Para os condutores individuais que procuram mais poder por quilowatt, os designs emergentes de baterias de estado sólido são promissores. Nestas baterias, os iões de lítio fluem através de um eletrólito sólido, geralmente de cerâmica, em vez de líquido. Como os eletrólitos líquidos são inflamáveis, estas baterias podem ser mais seguras. Jean também fala na possibilidade de utilização de diferentes materiais de ânodo que sejam mais resistentes ao revestimento de lítio e, portanto, estas baterias podem ser carregadas mais depressa.

A empresa Solid Power, que está a desenvolver baterias de estado sólido com financiamento do Grupo BMW e da Ford, está a trabalhar numa célula de ânodo de silício que o diretor de tecnologia da empresa, Joshua Buettner-Garrett, diz poder ser carregada até 50% em 15 minutos, e tem como meta os 20 minutos para taxas completas de recarga para uma versão comercial. Esta companhia também está a desenvolver baterias com ânodos de metal de lítio, que podem armazenar dez vezes mais energia por unidade de massa do que as de grafite.

Nos projetos de estado sólido, as baterias de metal de lítio deveriam, teoricamente, carregar muito depressa. Na prática, porém, também têm propensão para formar dendritos, fazendo com que falhem mais rapidamente, sobretudo com altas velocidades de recarga. As baterias de metal de lítio de carregamento rápido seriam o Santo Graal das baterias de alto desempenho, mas “ainda são um trabalho em desenvolvimento”, diz Joshua.

As novas pesquisas podem estar a aproximar estas super baterias da realidade. Recentemente, uma equipa liderada por Xin Li, cientista de materiais da Universidade de Harvard, projetou uma célula de bateria de metal de lítio de estado sólido que usa várias camadas diferentes de materiais no elétrodo para interromper o crescimento de dendritos de lítio. Na revista Nature, a equipa descreveu um protótipo de bateria que poderia ser carregada em apenas três minutos, mantendo mais de 80% da sua capacidade após 10.000 ciclos. (As baterias típicas têm uma degradação semelhante em apenas 1.000 a 2.000 ciclos.)

Esta pesquisa ainda está num estágio inicial. A equipa precisa de demonstrar que a bateria, atualmente do tamanho de uma moeda, pode ser aumentada e produzida em massa para automóveis.

Xin Li diz que uma versão comercial desta bateria pode ver a luz do dia em cerca de cinco anos, “se tudo correr bem”.

Se conseguirmos tirar partido das vantagens do metal de lítio, diz Venkat Viswanathan, engenheiro da Universidade Carnegie Mellon, cujo laboratório também desenvolve baterias de próxima geração, “muitas das suposições que fizemos em termos de carregamento rápido desaparecem.”

Limites sociais de velocidade

Apesar de ser tecnicamente possível desenvolver baterias para veículos elétricos que possam ser carregadas em menos de 10 minutos, não se sabe se este carregamento ultrarrápido será viável. Com 400 volts e mais, as estações de carregamento rápido de hoje já consomem muito mais energia da rede elétrica do que as tomadas de 120 e 240 volts que muitos proprietários de veículos elétricos usam em casa. Se todos os americanos estivessem a conduzir veículos elétricos, e todos esperassem que um carregamento cada vez mais rápido estivesse sempre disponível, a tensão sobre a rede elétrica podia ser enorme.

“Há outro nível de consideração sobre a infraestrutura”, diz Xin Li. “Temos de perceber qual é a quantidade de corrente que o sistema consegue suportar.”

Joshua diz que é preciso alcançar um equilíbrio, “tanto ao nível do impacto social, como ao nível do carregamento, para se atingir a combinação correta entre conveniência e custo”. Os fabricantes de veículos elétricos, diz Joshua, reconhecem isto e estão atentos aos tempos de recarga de 20 a 30 minutos para os carros lançados em meados da década de 2020.

Jenny Baker, especialista em capacidade de armazenamento de baterias da Universidade Swansea, no Reino Unido, está cética de que o carregamento ultrarrápido seja o objetivo correto. “Carregar em casa durante a noite, quando a demanda é menor, é mais acessível e ecologicamente correto, uma vez que os operadores de rede têm de recorrer menos às centrais de apoio, que tendem a queimar combustíveis mais poluentes.” Muitos proprietários de veículos elétricos, Jenny incluída, também acreditam que isto é mais conveniente do que parar para recarregar durante o dia.

“Carregar em casa, para quem o pode fazer, é melhor para o ambiente”, diz Jenny. “Eu ficaria muito desapontada se os veículos elétricos [se tornassem] iguais aos carros a gasolina, porque isso não irá preencher todo o seu potencial.”

 

Este artigo foi publicado originalmente em inglês no site nationalgeographic.com

 

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