Os veículos eléctricos da próxima geração poderão funcionar com baterias de lítio metálico que percorrem entre 800 e 1.100 quilômetros com uma única carga, o dobro do alcance das baterias convencionais de ions de lítio dos veículos eléctricos atuais.

Mas a tecnologia do metal de lítio tem sérias desvantagens: a bateria perde rapidamente a sua capacidade de armazenar energia após relativamente poucos ciclos de carga e descarga – altamente impraticável para condutores que esperam que os carros elétricos recarregáveis funcionem durante anos.

Os cientistas têm testado uma variedade de novos materiais e técnicas para melhorar o ciclo de vida da bateria. Agora, pesquisadores da Universidade de Stanford descobriram uma solução de baixo custo: basta descarregar a bateria e deixá-la descansar por várias horas. Esta abordagem simples, descrita num estudo publicado em 7 de fevereiro na revista Nature, restaurou a capacidade da bateria e melhorou o desempenho geral.

“Estávamos procurando a maneira mais fácil, barata e rápida de melhorar a vida útil do ciclo do metal de lítio”, disse o coautor principal do estudo, Wenbo Zhang, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais em Stanford. “Descobrimos que, ao deixar a bateria descarregada, a capacidade perdida pode ser recuperada e o ciclo de vida aumentado. Essas melhorias podem ser alcançadas apenas reprogramando o software de gerenciamento de bateria, sem custos adicionais ou alterações necessárias em equipamentos, materiais ou fluxo de produção.”

Os resultados do estudo podem fornecer aos fabricantes de EV insights práticos sobre a adaptação da tecnologia de metal de lítio às condições de condução do mundo real, disse o autor sênior Yi Cui , professor fundador da Fortinet de Ciência e Engenharia de Materiais na Escola de Engenharia e professor de ciência de energia e engenharia na Escola de Sustentabilidade Stanford Doerr.

“As baterias de metal de lítio têm sido objeto de muitas pesquisas”, disse Cui. “Nossas descobertas podem ajudar a orientar estudos futuros que ajudarão no avanço das baterias de metal de lítio em direção à adaptação comercial generalizada.”

Uma bateria convencional de íons de lítio consiste em dois eletrodos – um ânodo de grafite e um cátodo de óxido metálico de lítio – separados por um eletrólito líquido ou sólido que transporta os íons de lítio para frente e para trás.

Em uma bateria de metal de lítio, o ânodo de grafite é substituído por metal de lítio galvanizado, o que permite armazenar o dobro da energia de uma bateria de íon de lítio na mesma quantidade de espaço. O ânodo metálico de lítio também pesa menos que o ânodo de grafite, o que é importante para EVs. As baterias de metal de lítio podem conter pelo menos um terço a mais de energia por quilo do que as de íon de lítio.

“Um carro equipado com uma bateria de metal de lítio teria o dobro do alcance de um veículo de íons de lítio de igual tamanho – 600 milhas por carga versus 300 milhas, por exemplo”, disse o coautor principal Philaphon Sayavong, um estudante de doutorado em química. “Nos EVs, o objetivo é manter a bateria o mais leve possível e, ao mesmo tempo, ampliar a autonomia do veículo.”

Duplicar a autonomia poderia eliminar a ansiedade dos motoristas que estão relutantes em comprar VEs. Infelizmente, o carregamento e descarregamento contínuos fazem com que as baterias de metal de lítio se degradem rapidamente, tornando-as inúteis para a condução rotineira. Quando a bateria é descarregada, pedaços de metal de lítio do tamanho de mícrons ficam isolados e ficam presos na interfase do eletrólito sólido (SEI), uma matriz esponjosa que se forma onde o ânodo e o eletrólito se encontram.

“A matriz SEI é essencialmente um eletrólito decomposto”, explicou Zhang. “Ele envolve pedaços isolados de lítio metálico retirados do ânodo e os impede de participar de quaisquer reações eletroquímicas. Por esse motivo, consideramos o lítio isolado morto.”

Cargas e descargas repetidas resultam no acúmulo de lítio morto adicional, fazendo com que a bateria perca capacidade rapidamente. “Um EV com uma bateria de metal de lítio de última geração perderia autonomia em um ritmo muito mais rápido do que um EV alimentado por uma bateria de íons de lítio”, disse Zhang.

Em trabalhos anteriores, Sayavong e seus colegas descobriram que a matriz SEI começa a se dissolver quando a bateria está ociosa. Com base nessa descoberta, a equipe de Stanford decidiu ver o que aconteceria se a bateria permanecesse em repouso enquanto estivesse descarregada.

“O primeiro passo foi descarregar completamente a bateria para que não houvesse corrente passando por ela”, disse Zhang. “A descarga retira todo o lítio metálico do ânodo, então tudo o que resta são pedaços inativos de lítio isolado cercados pela matriz SEI.”

O próximo passo foi deixar a bateria parada.

“Descobrimos que se a bateria permanecer descarregada por apenas uma hora, parte da matriz SEI que cerca o lítio morto se dissolve”, disse Sayavong. “Assim, quando você recarrega a bateria, o lítio morto se reconecta ao ânodo, porque há menos massa sólida no caminho.”

A reconexão com o ânodo traz o lítio morto de volta à vida, permitindo que a bateria gere mais energia e estenda seu ciclo de vida.

“Anteriormente, pensávamos que esta perda de energia era irreversível”, disse Cui. “Mas nosso estudo mostrou que podemos recuperar a capacidade perdida simplesmente descansando a bateria descarregada.”

Usando microscopia de vídeo com lapso de tempo, os pesquisadores confirmaram visualmente a desintegração do SEI residual e a subsequente recuperação do lítio morto durante a fase de repouso.

O motorista americano médio passa cerca de uma hora ao volante todos os dias, então a ideia de descansar a bateria do carro por várias horas é viável.

Um EV típico pode ter 4.000 baterias dispostas em módulos controlados por um sistema de gerenciamento de bateria, um cérebro eletrônico que monitora e controla o desempenho da bateria. Em uma bateria de metal de lítio, o sistema de gerenciamento existente pode ser programado para descarregar completamente um módulo individual, de modo que ele tenha capacidade zero restante.

Esta abordagem não requer novas técnicas ou materiais de fabricação caros, acrescentou Zhang.

“Você pode implementar nosso protocolo tão rápido quanto escrever o código do sistema de gerenciamento de bateria”, disse ele. “Acreditamos que em certos tipos de baterias de metal de lítio, o repouso no estado descarregado pode aumentar significativamente a vida útil do ciclo EV.”