Baterias e Autonomia

Atualmente, as baterias eletroquímicas de iões de lítio constituem a única forma viável de armazenamento de energia para os veículos elétricos. Vários fatores contribuem para isso, nomeadamente a sua elevada eficiência energética, número elevado de ciclos de recarga e descarga, ausência de efeito de memória e elevadas densidades energética (quantidade de energia, Wh, passível de ser armazenada por unidade de volume ou massa da bateria) e de potência (rapidez com que a energia pode ser armazenada ou libertada, kW, por unidade de volume ou massa da bateria). Comparativamente a tecnologias de baterias recarregáveis de gerações anteriores, de ácido de chumbo, de níquel-cádmio e de níquel-hidretos metálicos, as baterias de iões de lítio tendem por isso a ser mais leves e menos volumosas. Apesar dos progressos atingidos nos últimos anos no desenvolvimento das baterias de iões de lítio e na diminuição gradual do seu custo, as baterias são ainda o principal fator limitante na adoção generalizada dos veículos elétricos, contribuindo decisivamente para o seu elevado preço, baixa autonomia e longo tempo de carregamento.

O sucesso da nova geração de veículos elétricos dependerá do progresso efetuado no desenvolvimento de novas tecnologias de baterias.

Para que os veículos 100% elétricos se tornem competitivos relativamente aos veículos convencionais em termos de preço de aquisição, fiabilidade e funcionalidade será necessário num futuro próximo reduzir o custo das baterias do valor atual, acima de 200€/kWh, para um valor inferior a 100€/kWh e aumentar a longevidade e autonomia das baterias para pelo menos 10 anos e 500 km, respetivamente. Atualmente a bateria constitui a componente mais dispendiosa de um veículo 100% elétrico, podendo representar de 25 a 50% do preço de aquisição. É expectável que o preço das baterias diminua à medida que aumenta a capacidade de produção instalada a nível mundial, o desenvolvimento de materiais de baixo custo e a otimização do design. O custo das matérias primas, nomeadamente lítio, cobalto, níquel, manganésio, grafite, alumínio, cobre, carbono, titânio e silício, constituem atualmente uma percentagem significativa dos custos totais de produção das baterias de iões de lítio. O lítio e o cobalto são os elementos cuja disponibilidade estará mais limitada em termos da competição global pelos recursos, no conjunto das reservas economicamente viáveis as quais dependerão da melhoria contínua nas tecnologias de extração e exploração. Devido aos elevados custos do lítio e do cobalto, e também à elevada toxicidade deste último, é particularmente importante a adoção de programas eficientes para a reciclagem das baterias de iões de lítio e será também desejável o desenvolvimento de tecnologias de baterias mais amigas do ambiente, que utilizem pouco ou nenhum cobalto, e que utilizem outros elementos mais abundantes e de baixa toxicidade (por exemplo, iões de sódio ou magnésio).

Limitações das baterias de iões de lítio

Alguns construtores apresentam duas alternativas, ou comprar o carro com baterias incluídas ou ter um sistema de aluguer de bateria associado à compra do veículo, facilitando assim o aluguer das baterias com um valor mensal, assumindo os custos de qualquer problema resultante de degradação ou uso inadequado.

Relativamente à longevidade e autonomia das baterias, a utilização que se faz delas, com os ciclos de carga e descarga, é determinante para o seu tempo de vida útil. Cada ciclo de carga da bateria reduz impercetivelmente a sua autonomia, mas na prática essa redução só se faz sentir ao fim de muito tempo, no decurso de muitas repetições destas ações de carga e descarga.

Durante o carregamento e utilização das baterias de iões de lítio, são alguns os fatores que contribuem para a degradação e redução da sua autonomia, nomeadamente:

  • O aumento de temperatura resultante do calor libertado durante o carregamento (tal como sucede com os telemóveis), que vai gradualmente retirando capacidade às baterias;
  • Prolongar o carregamento após a bateria ter atingido o nível máximo de carga vai produzir calor extra, podendo ainda promover alterações químicas no seu interior resultando num aumento da sua resistência interna;
  • Deixar a bateria descarregar completamente, levando a bateria a zero. Considera-se que o funcionamento mais adequado da bateria deve situar-se num nível de carga entre os 50% e os 80%;
  • Efetuar descargas intensas ou carregamentos rápidos sujeitando a bateria a enorme esforço resultante do aceleramento dos processos químicos no seu interior.

Uma preocupação constante nos utilizadores de veículos elétricos são a longevidade e autonomia das baterias de iões de lítio dado o elevado investimento associado à sua aquisição ou substituição e a sua importância fundamental para a utilização do veículo. Quando ocorre uma degradação das características da bateria tal é acompanhado da diminuição da potência e da capacidade de armazenamento de energia, isto é, da autonomia da bateria. Um ciclo de carga constitui um procedimento em que a bateria é carregada e descarregada. A cada ciclo de carga da bateria, um veículo vai perdendo autonomia, embora de forma muito gradual e impercetível para o utilizador. Contudo, com uma atuação repetida e ao final de muito tempo essa redução de autonomia começa a tornar-se notória.

Os processos de degradação de uma bateria dependem de muitos fatores entre os quais se destacam a exposição a temperaturas extremas, a sobrecarga em alta tensão, a profundidade e intensidade das descargas e a rapidez dos carregamentos. A fim de controlar as oscilações térmicas da bateria alguns fabricantes incorporam um sistema de gestão da temperatura através da (re)circulação de um fluido (ar ou líquido) no corpo da bateria. As baterias de iões de lítio de veículos elétricos incorporam ainda um sistema eletrónico de gestão da bateria, cuja função é controlar e minimizar os processos de degradação durante os períodos de armazenamento, carregamento e descarga, prolongando a sua longevidade e autonomia. Outra função, não menos importante, é a de assegurar as condições de segurança durante a operação da bateria no sentido de evitar situações que possam promover a libertação descontrolada de energia, provocando uma eventual explosão ou incêndio. Estudos têm demonstrado que o perigo de explosão ou incêndio em veículos elétricos não é superior ao dos veículos convencionais. Contudo, à medida que os fabricantes de baterias de iões de lítio puxam a tecnologia para além dos seus limites atuais os riscos poderão vir a aumentar.

Talvez também por isso e dadas as limitações associadas à tecnologia atual de baterias de iões de lítio, várias entidades públicas e privadas, entre as quais construtores de veículos automóveis, fabricantes de baterias e empresas tecnológicas, estão ativamente envolvidas no desenvolvimento de novas tecnologias de baterias eletroquímicas, nomeadamente com base em elétrodos de alta energia e eletrólitos de estado sólido, assim como no aperfeiçoamento da tecnologia de baterias não eletroquímicas, como é o caso dos sistemas designados por super ou ultra condensadores.

Qual a vida útil expectável duma bateria?

Embora varie, função da composição química da bateria, o número expectável de ciclos de carga duma bateria de iões de lítio é de cerca de 1000 ciclos durante a sua vida útil. Embora dependa de vários fatores, como referido anteriormente, é de esperar que ao final desse número de ciclos ocorra uma degradação na capacidade de armazenamento da bateria que pode chegar até 20% da autonomia original. Isto é, um veículo 100% elétrico que tenha uma autonomia de 200 km numa bateria nova, terá provavelmente uma autonomia de apenas 160 km ao final do tempo de vida útil da bateria (isto é, após 1000 ciclos de carga). Contudo, para simplicidade, se assumirmos que a bateria sofre apenas uma degradação negligenciável durante o seu tempo de vida, o veículo terá percorrido um total de 120000 km, se fizer uso apenas de 60% da capacidade da bateria a cada ciclo de carga (por exemplo, efetuando carregamentos entre 20 e 80% da capacidade máxima da bateria), quando chegar ao final do tempo de vida útil da bateria, isto é, após 1000 ciclos. A título ilustrativo, assumindo então um valor de 60% da capacidade máxima da bateria para cada ciclo de carga e uma vida útil de 1000 ciclos, negligenciando eventuais perdas de autonomia devido à degradação da bateria, a figura seguinte mostra a longevidade da bateria para vários modelos de veículos 100% elétricos no mercado nacional.

Embora a longevidade tenda a aumentar com o preço de aquisição do veículo, é possível encontrar veículos a preços similares com baterias de longevidade muito diferente.