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

Um sucesso crucial na pesquisa de baterias: as células de filme com ânodos ricos em silício superaram, nos testes, mais de 1.000 ciclos sem perder menos de 80% de sua capacidade. Quais parâmetros desempenham um papel importante e o que esse avanço significa para os carros elétricos, veja aqui.

Imagem: Fraunhofer ISE

Os pesquisadores do Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) conseguiram, no âmbito do projeto “StrOboBatt”, operar uma célula de folha caseira de 25 Ah com ânodos ricos em silício por mais de 1.000 ciclos completos. Após o teste, a célula ainda possuía uma capacidade residual de mais de 83 por cento. Dessa forma, o projeto de pesquisa alcançou uma marca importante no desenvolvimento de baterias: 1.000 ciclos completos com manutenção mínima de 80 por cento da capacidade são considerados um requisito mínimo para uso comercial.

Silício: alta densidade energética, mas expansão extrema

O que torna a célula de membrana especial é sua ânodo rico em silício, pois permite uma maior densidade energética em comparação com ânodos de grafite convencionais. Até agora, o silício não pode ser utilizado como material para ânodos, pois seu volume aumenta em até 300 por cento durante a carga devido à absorção de íons de lítio (quadruplicando) e encolhe novamente durante a descarga. Esse movimento intenso leva à perda do contato elétrico dentro da eletródea e causa uma decomposição mais rápida do eletrólito. A consequência é um envelhecimento excessivamente rápido da célula, impedindo seu uso prático. Para comparação: o grafite se expande apenas em cerca de dez a doze por cento.

Para reduzir a carga mecânica causada pela forte expansão, os pesquisadores do Fraunhofer ISE utilizaram um composto de silício e carbono, que representa 51% do material ativo da ânodo. Juntamente com uma cátodo rico em níquel, as células em folha foram fabricadas em uma linha piloto semelhante à industrial.

Pressão e dinâmica de carregamento: fatores decisivos

No laboratório, os protótipos das células de bateria também foram submetidos a uma pressão axial de 1.000 quilopascals (cerca de 10 bar) durante o carregamento e descarregamento. Nesse caso, o contato entre as eletródas permaneceu estável apesar do movimento do material. Por outro lado, com uma pressão menor de 300 quilopascals (cerca de 3 bar), a capacidade útil diminuiu de maneira significativamente mais rápida. Assim, a pressão mecânica externa revelou-se um parâmetro decisivo.

Além disso, os testes sob carga dinâmica do dia a dia mostraram que a capacidade útil em condições de alto desempenho diminui mais rapidamente do que nos ciclos de teste menos intensivos. Isso fornece uma indicação importante para o uso futuro em carros elétricos, cujos sistemas de gerenciamento de bateria precisam levar isso em consideração.

As células testadas atingiram uma densidade energética gravimétrica de 280 Wh/kg. No entanto, o Fraunhofer ISE afirma que, em uma produção em série otimizada industrialmente, é possível alcançar cerca de 330 Wh/kg. Uma bateria com 330 Wh/kg representaria um aumento de aproximadamente 20 a 35% em relação às atuais células NMC e NCA, e quase o dobro em comparação com as células LFP.

Matérias-primas europeias para maior autonomia

Em termos práticos, isso significa que um carro elétrico poderá ter a mesma massa da bateria, mas, em vez de cerca de 75 kWh atualmente, terá uma capacidade de armazenamento de quase 100 kWh no futuro. Isso aumentaria a autonomia realista de um veículo de tamanho médio, que é de aproximadamente 450 quilômetros, para bem mais de 600 quilômetros.

Além do aumento da autonomia, a tecnologia traz também uma vantagem estratégica para o setor industrial. Como o grafite precisa ser importado, em sua maior parte, de fora da Europa, o uso mais intensivo de compostos de silício permite transferir parcialmente a criação de valor dos matérias-primas para a Europa, já que o silício pode ser obtido regionalmente e de forma sintética.