Primeira carga, na fábrica, aumenta vida útil das baterias em 50%

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/09/2024

Dar a primeira carga nas baterias com correntes elevadas, antes de elas saírem da fábrica, é 30 vezes mais rápido e aumenta sua vida útil em 50% em média.
[Imagem: Greg Stewart/SLAC]

Não dá para fazer em casa

A primeira carga de uma bateria de íons de lítio é mais importante do que parece: Ela determina quanta carga a bateria conseguirá armazenar e qual será sua vida útil, ou seja, por quanto tempo a bateria funcionará.

Em particular, a chamada carga de formação, dada ainda na fábrica, determina quantos ciclos de carga e descarga uma bateria poderá suportar antes de se deteriorar e precisar ser substituída.

E as mudanças não são pequenas: A técnica adequada para dar essa carga de ativação aumentaram a vida útil média das baterias em 50% (até 70% no melhor caso) e diminuíram o tempo de carregamento inicial de 10 horas para apenas 20 minutos.

E tudo o que é preciso fazer é dar a primeira carga da bateria de íons de lítio usando correntes anormalmente altas, muito mais altas do que as utilizadas pelos recarregadores de hoje.

Mas atenção: Não se trata daquela primeira carga que você dá em casa depois de ter comprado a bateria. Para obter esses ganhos, o trabalho terá que ser feito nas fábricas, quando a bateria é inicialmente ativada, recebendo aquela carga que já está nela quando você a compra.

Os fabricantes geralmente dão às baterias novas sua primeira carga com correntes baixas, na teoria de que isso dará robustez a uma camada esponjosa conhecida como interfase de eletrólito sólido (IES). Mas há uma desvantagem: Carregar em correntes baixas consome tempo, é caro e não necessariamente produz resultados ótimos.

O inesperado foi que, quando Xiao Cui e colegas da Universidade de Stanford, nos EUA, procuraram por soluções, os benefícios foram muito maiores do que eles próprios estimavam.

Um pouco de lítio é "perdido" para formar uma camada protetora chamada IES no eletrodo negativo. No entanto, sob condições de carga rápida, os íons de lítio também são consumidos durante reações laterais no eletrodo negativo, criando espaço livre adicional em ambos os eletrodos e ajudando a melhorar o desempenho e a vida útil da bateria.
[Imagem: Greg Stewart/SLAC]

Primeira carga na fábrica

Quando uma bateria carrega, íons de lítio fluem para o eletrodo negativo para armazenar a carga. Quando sua carga é usada, e a bateria descarrega, os íons fluem de volta para o eletrodo positivo, o que gera um fluxo de elétrons para alimentar dispositivos, de carros elétricos à rede elétrica.

O eletrodo positivo de uma bateria recém-fabricada está 100% cheio de lítio. Toda vez que a bateria passa por um ciclo de carga-descarga, parte desse lítio é desativada. Logo, minimizar essas perdas prolonga a vida útil da bateria.

Estranhamente, uma maneira de minimizar a perda geral de lítio é perder deliberadamente uma boa porcentagem do suprimento inicial de lítio durante a primeira carga da bateria - é como fazer um pequeno investimento que rende bons retornos no futuro. O lítio perdido se torna parte daquela camada IES (interfase de eletrólito sólido), que se forma na superfície do eletrodo negativo durante a primeira carga. Acontece que essa IES protege o eletrodo negativo de reações colaterais durante o uso normal da bateria que acelerariam a perda de lítio e degradariam a bateria mais rapidamente.

Assim, obter uma IES adequada e bem formada é tão importante que a primeira carga é conhecida como "carga de formação". "A formação é a etapa final do processo de fabricação, então, se ela falhar, todo o valor e esforço investidos na bateria até aquele momento serão desperdiçados," explicou Cui.

A técnica atual consiste em dar essa primeira carga de formação usando correntes baixas, na teoria de que isso criará a camada IES mais robusta. A equipe acaba de descobrir que não é nada disso.

Mas fique de olho em outras tecnologias, porque uma bateria de íons de sódio recarrega em segundos.
[Imagem: Jong Hui Choi et al. - 10.1016/j.ensm.2024.103368]

Descobrindo os fatores que importam

Ao analisar cuidadosamente a carga de formação das baterias, a equipe confirmou que a corrente de carga é apenas um dentre dezenas de fatores que influenciam a formação da camada IES durante a primeira carga. O problema é que testar no laboratório todas as combinações possíveis desses fatores, para ver qual funciona melhor, é uma tarefa exaustiva.

Para reduzir o problema a dimensões gerenciáveis, a equipe usou aprendizado de máquina para identificar quais fatores são mais importantes para alcançar melhores resultados. Para sua surpresa, apenas dois deles - a temperatura e a corrente na qual a bateria é carregada - se destacaram de todos os outros.

Aí ficou viável fazer experimentos, e eles confirmaram que carregar em altas correntes tem um impacto enorme, aumentando a vida útil da bateria em 50% em média. As altas correntes também desativaram uma porcentagem muito maior de lítio - cerca de 30%, em comparação com 9% com o método anterior - e isso acabou tendo um efeito positivo ao liberar espaço no eletrodo positivo, que passou a trabalhar de forma mais eficiente, melhorando o desempenho da bateria.

Agora é esperar que os fabricantes adotem a nova técnica de aplicação da carga de formação das baterias em suas fábricas.

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