Maior autonomia com o mesmo peso: bateria de silício passa no teste de laboratório

Uma descoberta crucial na pesquisa de baterias permitiu que células com ânodos ricos em silício resistissem a mais de 1.000 ciclos de teste sem que sua capacidade caísse abaixo de 80 por cento. Analisamos os parâmetros que desempenham um papel fundamental e o que esse avanço pode significar para os veículos elétricos.

Imagem: Fraunhofer ISE

Os pesquisadores do Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energia Solar (ISE) operaram com sucesso uma célula tipo pouch autofabricada de 25 Ah, com ânodos ricos em silício, por mais de 1.000 ciclos completos como parte do projeto ‘StrOboBatt’. Após os testes, a célula manteve mais de 83% de sua capacidade. Essa conquista representa um marco importante no desenvolvimento de baterias: 1.000 ciclos completos com pelo menos 80% de retenção de capacidade são considerados o requisito mínimo para uso comercial.

Silício: alta densidade energética, mas expansão extrema

A célula de tipo pouch se destaca por seu ânodo rico em silício, o que permite uma densidade energética maior em comparação com os ânodos convencionais de grafite. No entanto, o silício ainda não foi amplamente adotado como material de ânodo porque seu volume expande em até 300 por cento (quadruplicando) durante a carga devido à absorção de íons de lítio e, em seguida, encolhe novamente durante a descarga. Esse movimento significativo causa perda de contato elétrico dentro do eletrodo e acelera a decomposição do eletrólito. Como resultado, a célula se degrada rapidamente demais para uso prático. Em comparação, o grafite expande apenas entre 10 e 12 por cento.

Para reduzir a tensão mecânica causada por essa expansão extrema, os pesquisadores do Fraunhofer ISE utilizaram um composto de silício-carbono, que representa 51 por cento do material ativo do ânodo. Combinado com um cátodo rico em níquel, a célula em formato de bolsa foi produzida em uma linha piloto em escala industrial.

A pressão e as dinâmicas de carregamento são fatores-chave

No laboratório, os protótipos das células de bateria também foram submetidos a uma pressão axial de 1.000 quilopascals (aproximadamente 10 bar) durante o carregamento e descarregamento. Apesar do movimento do material, o contato dos eletrodos permaneceu estável. Porém, com uma pressão menor de 300 quilopascals (aproximadamente 3 bar), a capacidade útil diminuiu de forma significativamente mais rápida. Assim, a pressão mecânica externa provou ser um parâmetro decisivo.

Testes em condições dinâmicas do mundo real também mostraram que a capacidade útil diminui mais rapidamente em níveis elevados de potência do que durante ciclos de teste suaves. Isso oferece uma visão importante para futuros usos em veículos elétricos, cujos sistemas de gerenciamento de baterias precisam levar esse fator em consideração.

As células testadas alcançaram uma densidade energética gravimétrica de 280 Wh/kg. No entanto, o Fraunhofer ISE afirma que a produção em massa otimizada industrialmente poderia atingir cerca de 330 Wh/kg. Uma bateria com 330 Wh/kg representaria um aumento de aproximadamente 20 a 35 por cento em comparação com as células NMC e NCA atuais, além de quase dobrar a densidade energética das células LFP.

Materiais-primas europeus para maior autonomia

Em termos práticos, isso significa que um veículo elétrico poderia ter uma capacidade de armazenamento de quase 100 kWh, em vez dos aproximadamente 75 kWh atuais, com o mesmo peso da bateria. Isso aumentaria a autonomia real de um veículo de tamanho médio de cerca de 450 km para bem mais de 600 km.

Além do aumento da autonomia, a tecnologia oferece uma vantagem estratégica para o setor industrial. Como o grafite é atualmente importado principalmente de fora da Europa, o uso crescente de compósitos de silício permite uma transferência parcial da criação de valor das matérias-primas para a Europa, já que o silício pode ser obtido e produzido sinteticamente em nível regional.