As células com silício superam os 1.000 ciclos e permitem baterias com maior autonomia

Fazer com que um carro elétrico percorra mais quilômetros não deveria depender sempre da instalação de uma bateria maior e mais pesada. Uma das maneiras de evitar isso é aumentar a densidade energética. E é aí que o silício desperta interesse há algum tempo, embora também apresente um problema difícil de resolver: manter seu desempenho após muitas cargas e descargas.

O instituto alemão Fraunhofer ISE deu um passo nessa direção no projeto StrOboBatt. Seus pesquisadores desenvolveram células em formato de bolsa, com capacidade de 25 Ah e ânodos ricos em silício, que superaram 1.000 ciclos completos mantendo mais de 83% de sua capacidade inicial. Um resultado relevante para uma tecnologia cujo potencial energético tem sido limitado por sua degradação.

Um ciclo completo não equivale a conectar o carro uma única vez. Ele representa o carregamento e descarregamento de uma quantidade de energia equivalente à capacidade total da bateria, algo que pode ser acumulado por meio de vários carregamentos parciais. Por isso, esse tipo de teste permite estudar a resistência ao uso, embora por si só não determine quantos anos ou quilômetros uma bateria instalada em um carro durará.

O silício permite armazenar mais energia, mas exige controle de sua expansão

O atrativo do silício está em sua capacidade de armazenar lítio, muito superior à do grafite normalmente utilizado nos ânodos. O problema surge durante a carga: seu volume pode aumentar até 300%, para depois contrair-se ao descarregar. Repetir esse movimento submete o eletrodo a um esforço considerável e pode deteriorar suas conexões internas, além de favorecer reações que aceleram o envelhecimento.

Para reduzir esses problemas, os pesquisadores utilizaram um material composto de silício e carbono, combinado com grafite. Esse composto representa 51% do material ativo do ânodo, uma precisão importante: isso não significa que metade do ânodo seja silício puro. O conjunto é combinado com um cátodo NMC rico em níquel.

Um dos aspectos decisivos do ensaio foi a pressão aplicada sobre as células. Com aproximadamente 10 bar de pressão externa, o comportamento a longo prazo foi melhor do que com cerca de 3 bar. Manter o contato entre os materiais ajuda a limitar as consequências de suas mudanças de volume, de modo que a estrutura que sustenta as células também faz parte do desafio.

Isso tem uma consequência prática para os fabricantes. Não basta desenvolver um material capaz de armazenar muita energia: é preciso integrá-lo em uma bateria que mantenha as condições adequadas durante seu funcionamento. Os elementos de fixação, o resfriamento e as proteções também ocupam espaço e têm peso, portanto a vantagem obtida em uma célula deve ser verificada posteriormente no conjunto completo.

Os testes também identificaram uma diferença crescente entre a capacidade medida com descargas leves e a disponível quando se exige mais das células. Trata-se de um detalhe importante para um carro elétrico, onde a demanda por energia muda constantemente. Manter a capacidade em um teste de laboratório não garante que ela continue sendo utilizável da mesma forma sob cargas mais intensas.

A densidade energética medida foi de 280 Wh/kg, enquanto o instituto estima que um formato industrial otimizado poderia alcançar aproximadamente 330 Wh/kg. O segundo valor é uma previsão, e não o resultado já comprovado nessas células. Há entre eles uma melhoria de quase 18%, embora isso também não se traduza automaticamente em 18% a mais de autonomia para o carro.

Para entender o potencial, podemos usar um exemplo simples. Se um pacote futuro conseguisse passar de 75 para 100 kWh mantendo seu peso e o carro conservasse o mesmo consumo, a autonomia aumentaria aproximadamente 33%. Uma distância de 450 quilômetros se transformaria em cerca de 600 quilômetros. Trata-se de uma ilustração matemática da vantagem desejada, não de uma autonomia medida pelo Fraunhofer nem de uma melhoria garantida por este teste.

Há também outra possibilidade igualmente interessante: manter a capacidade e reduzir o peso da bateria. Para um comprador que já possui autonomia suficiente, essa opção pode ser mais útil do que continuar acumulando quilômetros no papel. A escolha dependerá de quanto custará fabricar essas células e de como elas se comportarão uma vez integradas a um carro.

O projeto acrescenta, além disso, uma dimensão industrial europeia. Substituir parte do grafite por compostos de silício pode ajudar a diversificar o fornecimento de materiais e transferir parte dessa atividade para a Europa. Isso não elimina a necessidade de processá-los com qualidade e a um preço competitivo, mas abre caminho para reduzir dependências.

Ainda há trabalho a ser feito antes de encontrar essa solução em um modelo de produção. Será necessário demonstrar que ela mantém suas vantagens em um pacote, sob diferentes temperaturas e ao longo de anos de uso. O próximo passo será garantir que esses bons resultados se mantenham fora do laboratório, sem que o peso e o custo de manter as células sob controle comprometam essa melhoria.

Fonte | ise.fraunhofer