Primeira carga, na fábrica, aumenta vida útil das baterias em 50%
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.
[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.
[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.
[Imagem: Greg Stewart/SLAC]