Na era atual de desenvolvimento vigoroso da indústria de veículos com novas energias, as baterias de íons de lítio, como principal fonte de energia, enfrentam o desafio crítico de equilibrar a eficiência de carregamento e a vida útil. Com a crescente demanda dos consumidores por autonomias de condução mais longas e velocidades de carregamento mais rápidas, bem como o foco do mercado na vida útil da bateria e na economia-, a tecnologia de carregamento de baterias de íon-de lítio está passando por uma profunda revolução. Como garantir um carregamento-de alta eficiência e, ao mesmo tempo, prolongar a vida útil da bateria tornou-se uma questão urgente que o setor precisa resolver.
I. Tecnologia de carregamento rápido: a força motriz para a melhoria da eficiência
Nos últimos anos, foram feitos progressos significativos na tecnologia de carregamento rápido de baterias de-íon de lítio. Tomemos o CATL como exemplo. Sua bateria de carregamento ultra{3}}rápida "Shenxing" alcançou uma velocidade de carregamento ultra{4}}rápida de "carregamento de 10-minutos para uma autonomia de condução de 400-quilômetros". Mesmo em ambientes frios a -10 graus, ele pode carregar até 80% da capacidade em 30 minutos. Em abril de 2024, a CATL lançou a bateria Shenxing PLUS, aumentando ainda mais a autonomia para 1.000 quilômetros e mantendo a característica de carregamento ultra{22}}rápido de carregar até 60% da capacidade em 10 minutos. Além disso, CATL e SAIC-GM colaboraram para lançar uma bateria de fosfato de ferro-lítio de carregamento ultrarrápido 6C, que está planejada para ser usada na arquitetura de bateria de alta tensão Ultium quase 900V atualizada em 2025. Esta bateria pode ser totalmente carregada em 10 minutos, adicionando 200 quilômetros de autonomia em 5 minutos.
A equipe de pesquisa liderada pelo professor Chao{0}}Yang Wang, da Universidade Estadual da Pensilvânia, também obteve conquistas notáveis. Eles descobriram que se uma bateria puder ser rapidamente aquecida a 60 graus antes de carregar, carregada em uma taxa rápida por 10 minutos e depois resfriada rapidamente até a temperatura ambiente, a degradação térmica da bateria pode ser evitada e o crescimento sério do filme de interfase de eletrólito sólido (SEI) pode ser evitado. Após repetidos testes, a equipe realizou testes de carregamento isotérmico em três tipos de baterias de potência a 40 graus, 49 graus e 60 graus, usando o carregamento a 20 graus como controle. Posteriormente, as baterias foram desmontadas para verificação do revestimento de lítio. Os resultados mostraram que após 2.500 ciclos de carregamento extremamente rápido (6C, 4,2 V) a 60 graus por 10 minutos, a bateria de alta densidade de-energia-com capacidade de 209 Wh/kg ainda retinha 91,7% de sua capacidade, com apenas 8,3% de perda de capacidade. Isto excedeu em muito a meta de “500 ciclos, 20% de perda de capacidade” estabelecida pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), e nenhum revestimento de lítio foi observado durante o processo de carregamento.
Marcas como XPENG e NIO também alcançaram avanços no carregamento ultra-rápido. A XPENG lançou sua pilha de carregamento ultra{3}}rápida S4, com potência de saída máxima de 480 kW e corrente de saída máxima de 670 A. Esse sistema pode fornecer autonomia de 200{14}} quilômetros para um carro em 5 minutos após o carregamento. De acordo com o comunicado oficial, o modelo 4C pode carregar de 10% a 80% em menos de 15 minutos, o que é considerado a velocidade de carregamento de veículo elétrico-mais rápida produzida em massa no mundo todo. O modelo 3C também está equipado com uma plataforma de alta tensão de 800V, com potência de pico de carregamento em torno de 300 kW. Ele pode adicionar 130 quilômetros de autonomia em 5 minutos de carregamento e carregar de 10% a 80% em 20 minutos.
II. O impacto do carregamento rápido na vida útil da bateria
Embora a tecnologia de carregamento rápido melhore muito a eficiência do carregamento, o seu impacto na vida útil da bateria não pode ser ignorado. Durante o carregamento rápido, uma grande corrente faz com que os íons de lítio se incorporem rapidamente no ânodo. Se o controle de temperatura for inadequado, o lítio metálico pode depositar-se na superfície do ânodo, formando dendritos que poderiam potencialmente perfurar o separador, causando curtos-circuitos internos e acelerando a degradação do desempenho da bateria. Além disso, o calor gerado durante o carregamento rápido, se não for dissipado a tempo, pode acelerar a decomposição do eletrólito e o envelhecimento dos materiais dos eletrodos, encurtando o ciclo de vida da bateria.
Uma pesquisa mostrou que para motoristas-de veículos 100% elétricos com quilometragem média diária superior a 100 quilômetros, a proporção de uso de carregamento ultra{2}}rápido excedeu 70%. O grau de integridade das-baterias de bordo caiu de 100% em carros novos para 85% em dois anos, com um declínio médio anual de 7,5%. No entanto, a pesquisa mais recente da equipe do professor Ouyang Minggao, da Universidade de Tsinghua, revelou que o uso frequente de carregamento ultra{10}}rápido acima de 120 kW pode reduzir o ciclo de vida da bateria em 40% em comparação com o carregamento lento.
No entanto, alguns estudos indicam que o impacto do carregamento rápido na vida útil da bateria não é absoluto. Um estudo de rastreamento conduzido pela Recurring Automatic em dezenas de milhares de Teslas descobriu que a diferença na vida útil da bateria entre o carregamento rápido e o carregamento lento é, na verdade, insignificante. Mesmo para veículos comerciais-de chamada que são carregados-rápidos 1 a 2 vezes ao dia, os ciclos de substituição da bateria são semelhantes aos dos carros particulares. Isto é atribuído principalmente aos sistemas eficientes de controle de temperatura que mitigam efetivamente os impactos negativos do carregamento rápido.
III. Estratégias Técnicas para Equilibrar Eficiência e Vida Útil
Para encontrar um equilíbrio entre a eficiência do carregamento rápido e a vida útil da bateria, a indústria e as empresas adotaram uma série de estratégias técnicas.
Em termos de inovação de materiais, a tecnologia de carregamento ultra{0}}rápido da CATL emprega uma tecnologia de cátodo de rede ultra{1}eletrônica e uma tecnologia de ânodo de anel de íon rápido de grafite de segunda{2}}geração, melhorando ainda mais a eficiência da reação eletroquímica e a eficiência do carregamento. A rede de ultra-elétrons, com sua superfície de material totalmente nanometrizada, constrói uma rede de elétrons bem-conectada, melhorando significativamente a velocidade de resposta do material catódico aos sinais de carga e a taxa de dessorção de íons de lítio. A camada de revestimento poroso modificado-do anel de íons rápidos na superfície do material anódico fornece locais ativos abundantes para troca de íons de lítio, aumentando significativamente a velocidade de troca de carga de íons de lítio e a taxa de incorporação.
No projeto da estrutura da bateria, a equipe do professor Chao{0}}Yang Wang desenvolveu uma bateria para "todos-climas". Eles inseriram uma folha de níquel com 50{4}}micrômetros-de espessura dentro da bateria, que pode efetivamente se auto-aquecer. Quando a corrente é ligada em baixas temperaturas, ela flui pela folha de níquel, gerando calor. Quando a temperatura interna da bateria excede 60 graus, o sensor de temperatura é acionado para desligar a corrente que flui através da folha de níquel. Esta bateria pode autoaquecer até 60 graus em 30 segundos sem comprometer seu desempenho e vida útil em temperaturas normais. Este processo não requer auxílio de equipamento de aquecimento externo ou adição de aditivos especiais ao eletrólito.
Em termos de sistemas de gerenciamento térmico de bateria (BMS), algumas montadoras introduziram um "modo de proteção de carregamento ultra-rápido". Quando a carga da bateria está abaixo de 20%, a potência de carregamento é limitada a 60 kW para evitar alguns problemas-de danos à bateria. Outros adotam a tecnologia de pré{6}}aquecimento da bateria, que melhora a eficiência do carregamento rápido em 35% em ambientes a -10 graus, ao mesmo tempo que reduz a taxa de deterioração da bateria em 30%.
4. Estratégias de uso do usuário e perspectivas do setor
Para os usuários, o uso razoável do carregamento rápido é crucial para prolongar a vida útil da bateria. O professor Qilu, diretor do Laboratório de Novas Tecnologias e Materiais Energéticos da Universidade de Pequim, afirmou que os proprietários de automóveis devem limitar a proporção de uso de carregamento ultra{1}}rápido a 40%. Quando o tempo permitir, o carregamento lento deve ser usado tanto quanto possível. Em particular, o carregamento ultra{5}}rápido deve ser evitado quando a carga da bateria estiver abaixo de 10% ou acima de 90%, pois usar o carregamento ultra{8}}rápido nessa faixa pode causar maiores danos à bateria.
Do ponto de vista da indústria, através da inovação do modelo comercial, como a adoção de um modelo de leasing de baterias, as montadoras podem fazer a transição da “venda de produtos” para a “venda de serviços”. O modelo de separação-da bateria do veículo pode reduzir a sensibilidade dos usuários às garantias da bateria, ao mesmo tempo que leva as empresas a melhorar a maturidade das tecnologias de carregamento rápido.
No futuro, com o progresso tecnológico contínuo, o equilíbrio entre a eficiência do carregamento rápido e a vida útil da bateria para baterias de-íon de lítio será ainda mais otimizado. Espera-se que o surgimento de novos materiais e tecnologias, como ânodos à base de silício-e baterias de estado-sólido, resolva fundamentalmente os problemas de vida útil causados pelo carregamento rápido. Ao mesmo tempo, a melhoria contínua dos sistemas inteligentes de controle de temperatura, ajuste dinâmico de energia e outras tecnologias fornecerão um suporte mais forte para a revolução da tecnologia de carregamento de baterias de íons de lítio.
Nesta revolução tecnológica de carregamento, as baterias de íon-de lítio estão gradualmente avançando em direção a um equilíbrio perfeito entre eficiência e vida útil. A indústria e as empresas precisam de inovar continuamente, e os utilizadores também precisam de utilizá-los razoavelmente para promover conjuntamente o desenvolvimento sustentável da nova indústria de veículos energéticos.
