Um dos desafios enfrentados pela indústria de veículos elétricos é fornecimento de bateria. Em maio deste ano, o gerente de fornecimento global da Tesla afirmou que a empresa está planejando um falta dos principais materiais da bateria. As montadoras estão trabalhando para integrar verticalmente fabricação de baterias em seus negócios para garantir que terão acesso às baterias quando necessário.
Conteúdo
- A tecnologia mais antiga ganha um novo propósito
- A vantagem dos wafers de silício
- Maior densidade e capacidade de energia
- Menos crescimento de dendritos para maior vida útil da bateria
- Tempo de recarga reduzido e maior alcance
- Quando veremos isso?
Em grande parte, isso acontece porque as baterias de íons de lítio são o padrão para células recarregáveis. Eles são usados em tudo, desde câmeras e telefones até veículos elétricos. Além de serem caras e dependerem de recursos escassos, as baterias de íons de lítio apresentam o risco de superaquecimento e incêndio ou mesmo explodindo
. É por isso companhias aéreas não quero essas baterias em seus porões de carga. Além disso, construir novas fábricas para fabricar baterias de íons de lítio é caro e demorado. Tesla investiu US$ 5 bilhões em seu Nevada Gigafábrica para produzir baterias para o Modelo 3 internamente. A capacidade da Tesla é de cerca de 24 GWh hoje e até 35 GWh quando concluído no próximo ano.Vídeos recomendados
O que é necessário é uma nova arquitetura de bateria que seja mais fácil de fabricar. Idealmente, o novo design da bateria teria maior densidade de energia e um tempo de recarga mais rápido para torná-la ideal para uso em veículos.
Você já sabe o que vem a seguir: uma empresa chamada XNRGI com sede perto de Portland, Oregon, diz que tem a resposta. Isso não é incomum por si só. Muitas pessoas afirmam ter uma bateria milagrosa, mas sempre parecem dizer que ainda não podem contar sobre isso.
A diferença com o XNRGI é que eles têm um portfólio de patentes publicadas vinculadas diretamente à tecnologia de bateria Powerchip e solicitaram várias outras. A empresa também recebeu financiamento do Departamento de Energia dos EUA para suas pesquisas. Com a proteção de patentes e o financiamento em vigor, a XNRGI está ansiosa para contar ao mundo o que tem.
“Acreditamos que agora podemos resolver simultaneamente todos os problemas das baterias de íons de lítio”, disse o CEO da XNRGI, Chris D’Couto.
A tecnologia mais antiga ganha um novo propósito
A principal diferença entre uma bateria convencional de íons de lítio e uma bateria XNRGI Powerchip é sua composição. Enquanto as baterias convencionais de íons de lítio usam uma pasta de grafite em um condutor bidimensional como material de construção, a bateria XNRGI usa metal de lítio em um wafer de silício poroso tridimensional. Não há nada de novo ou diferente nos wafers; são os mesmos discos fabricados há décadas pela indústria de semicondutores.
“Estamos adotando etapas comprovadas de fabricação de chips e aplicando-as a esta bateria”, disse D’Couto. “Estamos pegando algo de um setor e aplicando em outro setor. Não estamos inventando nada nesse sentido. Podemos comprar os wafers, por isso não temos um grande investimento de capital em uma fábrica.”
A melhor parte é que as baterias XNRGI são feitas com wafers mais antigos e mais grossos que não são mais procurados. Já existe infraestrutura mundial para fabricar esses wafers de maneira barata e em grande quantidade.
A vantagem dos wafers de silício
A vantagem de usar pastilhas de silício para construir uma bateria depende de outro processo semicondutor bem estabelecido. O design do XNRGI usa wafers perfurados para criar uma superfície semelhante a um waffle. Cada disco de silício de 12 polegadas pode conter até 160 milhões de poros microscópicos. Em seguida, os wafers são revestidos com uma superfície não condutora de um lado. O outro lado do wafer é revestido com um metal condutor para transportar a corrente elétrica.
“Os revestimentos metálicos que usamos são retirados da indústria de chips”, disse D’Couto, “e os revestimentos isolantes são retirados da indústria de chips e usados aqui. Não estamos inventando nada do lado do processo.”
XNRGI - Bateria PowerChip
A natureza porosa do wafer aumenta a área superficial total da bateria em até 70 vezes em comparação com uma superfície bidimensional. Cada poro é fisicamente separado de seus vizinhos, o que ajuda a eliminar curtos-circuitos internos e ajuda a bateria a resistir à degradação ao longo do tempo e do uso.
“Cada um desses pequenos buracos é na verdade uma bateria muito pequena”, observou D’Couto. “Quando qualquer um deles falha individualmente, a falha não se propaga. Esta arquitetura torna a bateria completamente segura, evitando fugas térmicas e explosões.”
Maior densidade e capacidade de energia
A tecnologia wafer do XNRGI foi projetada para ser instalada no lado anódico de uma bateria. Quando uma bateria está totalmente carregada, o ânodo é como um balde de elétrons. À medida que a bateria descarrega, os elétrons fluem através do circuito para o lado do cátodo da bateria. Quando a bateria é recarregada, o recipiente do ânodo é recarregado.
“Hoje, quando se fala em bateria de íon de lítio, ela é feita de lítio intercalado com grafite”, explicou D’Couto. “Desde o início das baterias de íons de lítio, o grafite tem sido usado no lado do ânodo para fornecer um local de estacionamento para os íons de lítio pousarem e decolarem.”
Uma grande vantagem do design do wafer de silício poroso é que o ânodo XNRGI tem 70 vezes mais área de superfície do que um ânodo de grafite. e usa metal de lítio puro, dando ao ânodo do Powerchip cerca de 10 vezes a densidade de energia dos ânodos de baterias de íons de lítio existentes.
“Obtemos mais densidade de energia devido ao aumento tridimensional da área superficial”, afirmou D’Couto.
Menos crescimento de dendritos para maior vida útil da bateria
Uma razão pela qual as baterias recarregáveis se degradam com o tempo é que, à medida que o ânodo passa por repetidos ciclos de descarga e carga, ele acumula produtos químicos na superfície do ânodo. Esse acúmulo é chamado de “dendrito” e se parece com uma estalactite calcária. Os dendritos podem eventualmente perfurar o separador físico entre o ânodo e o cátodo e causar curto-circuito na bateria.
“Quando o dendrito atravessa o separador, ocorre uma falha rápida da bateria”, explicou D’Couto.
Os íons de lítio também carregam outros materiais que se acumulam como placas no separador entre os lados do ânodo e do cátodo da bateria, obstruindo essencialmente a bateria e reduzindo o desempenho. O ânodo XNRGI resiste à formação de dendritos e prolonga a vida útil da bateria devido ao revestimento não condutor do wafer de silício. Os elementos transportados junto com os íons de lítio não aderem a essa superfície e, portanto, não podem formar facilmente dendritos ou acumular placas.
D’Couto estima que uma bateria XNRGI Powerchip oferecerá uma vida útil três a cinco vezes mais longa do que uma bateria de íons de lítio pode alcançar hoje.
Tempo de recarga reduzido e maior alcance
A maior área de superfície dentro de um Powerchip significa que a bateria pode descarregar e recarregar muito mais rapidamente do que as células convencionais de íons de lítio. Isso significa que mais potência está disponível quando você dirige. Mais importante ainda, significa recarga mais rápida.
Segundo D’Couto, o ânodo Powerchip é capaz de atingir 80% de recarga quando vazio em 15 minutos. A recarga mais comum de 10% a 90% também tem como meta 15 minutos. Além do carregamento rápido, a XNRGI estima que as baterias Powerchip aumentarão o alcance do EV em até 280% em comparação com uma bateria convencional de íons de lítio do mesmo peso. Para referência, isso significa que um EV atual com 250 milhas de alcance (como muitos têm) teria um alcance de 700 milhas.
A bateria XNRGI também é muito mais leve que as células atuais. Os fabricantes de automóveis poderiam optar por fabricar veículos elétricos mais leves e eficientes ou colocar mais baterias no carro para uma autonomia ainda maior com o peso existente.
Quando veremos isso?
No momento, a XNRGI está trabalhando com empresas que usam todo tipo de bateria, desde pequenos eletrônicos de consumo até montadoras e até mesmo concessionárias de serviços públicos. A empresa prevê que o lançamento de produtos de consumo e os acordos de licenciamento sejam finalizados nos próximos dois a cinco anos, dependendo da aplicação da bateria.
“Esperamos que nossas baterias sejam usadas em produtos de mobilidade como motocicletas, scooters, drones, robôs e muito mais em 2020”, projetou D’Couto. “Nos veículos elétricos, provavelmente será 2022 ou 2023, em algum volume limitado, e depois a adoção de um grande volume de veículos elétricos em 2024. Isso é praticamente a norma para a indústria automotiva após seus extensos testes”.
O advento da tecnologia de baterias seguras, de carregamento rápido, duradouras e de longo alcance provavelmente será uma virada de jogo para a indústria de EV. Em retrospecto, com cientistas de todo o mundo pesquisando melhores tecnologias de baterias, talvez não devêssemos ficar surpresos que alguém a tenha encontrado.
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