Guia Definitivo para o Envelhecimento da Bateria

É uma prioridade para muitos provedores de serviços de transporte e energia garantir a longevidade e o desempenho ideal de suas baterias. Compreendendo melhor o envelhecimento da bateria, podemos aprender como prolongar a vida útil das baterias.

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Este artigo apresentará muitos novos termos sobre o envelhecimento da bateria de íons de lítio. Como nem todo mundo é especialista em bateria, deixe-me explicar alguns termos básicos para nos ajudar a entender melhor o envelhecimento da bateria:

Termo-chave

Definição

O envelhecimento da bateria é muito complexo, não linear e influenciado por muitos parâmetros. Pode-se observar, por exemplo, que as baterias envelhecem mesmo que não sejam usadas. Mas, em geral, as baterias envelhecem mais rápido se forem usadas. Para gerenciar a complexidade, é prática comum dividir o envelhecimento em três categorias: envelhecimento calendárico, cíclico e reversível:

Quando as baterias envelhecem, diferentes mecanismos de envelhecimento ocorrem simultaneamente. Cada mecanismo de envelhecimento tem um impacto no comportamento da bateria. O impacto pode ser dividido em dois parâmetros de desempenho: capacidade e resistência interna.

As baterias perdem capacidade quando envelhecem. Para um veículo elétrico, perder capacidade significa que o EV não pode dirigir tanto quanto antes sem parar para recarregar. E para armazenamento estacionário de energia, isso significa que a bateria pode armazenar menos energia e, assim, gerar menos receita. A rapidez com que a capacidade diminui depende de vários fatores, incluindo o tipo de bateria, as taxas de carga e descarga, as temperaturas a que está exposta e o número de ciclos a que foi submetida.

Observando o envelhecimento de uma bateria de íons de lítio, a tendência de envelhecimento pode ser dividida em três fases, conforme ilustrado na Figura 1:

Figura 1: Envelhecimento da bateria - Ciclo de vida típico da capacidade da bateria‍

Em contraste com a perda de capacidade, a resistência interna de uma bateria aumenta com o tempo, o que, inversamente, leva à redução de energia. Isso é especialmente relevante para veículos elétricos híbridos (HEV). Aumentar a resistência interna em um HEV significa que você não pode acelerar tão rápido quanto antes e eles recuperam menos energia da frenagem. Para operadores de armazenamento estacionário, isso significa eficiência e capacidade de energia reduzidas.

A principal causa de envelhecimento em baterias de íon-lítio é o crescimento da superfície eletrolítica interfase (SEI). A camada SEI se forma no eletrodo negativo durante o primeiro ciclo de carregamento, comumente chamado de ciclo de formação. O SEI fica mais espesso com o tempo e é influenciado principalmente pela química do eletrólito e pelo estresse mecânico dos materiais ativos. O SEI é normalmente formado no ânodo, que é feito principalmente de grafite, às vezes misturado com silício.

À medida que a interfase do eletrólito de superfície cresce, ela se liga ao lítio. Posteriormente, menos íons de lítio participam das reações de carga e descarga e a capacidade da bateria diminui. Os íons de lítio também passam pela camada SEI quando a bateria é carregada e descarregada. Quanto mais espesso o SEI, mais difícil é para os íons se moverem através dele. É por isso que a resistência interna aumenta: o SEI cresce à medida que a bateria envelhece.

Além do crescimento do SEI, existem vários processos adicionais, como rachaduras e corrosão, que influenciam o envelhecimento da bateria, mas abordaremos isso em outro artigo.

calendário de envelhecimento

Os principais impulsionadores do envelhecimento calendárico são a temperatura e o estado de carga (SOC). No geral, em temperaturas mais altas e SOCs, as baterias envelhecem mais rápido. Uma redução média de 10°C ou 50°F pode dobrar a vida útil de uma bateria, conforme ilustrado na Figura 2. No entanto, lembre-se de não operar suas baterias em temperaturas muito baixas por causa do entrançamento de lítio.

Figura 2: Comparação do envelhecimento da bateria ao longo do tempo em diferentes estados de cargas e temperaturas

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Com SOCs mais altos – especialmente acima de 90 por cento – o envelhecimento da bateria aumenta rapidamente conforme ilustrado na Figura 3.3, 4, 5

Figura 3: Comparação do envelhecimento da bateria ao longo do tempo em diferentes estados de carga