as baterias não funcionam bem no frio - um pesquisador de baterias explica a química em baixas temperaturas

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As baterias recarregáveis são ótimas para armazenar energia e alimentar eletrônicos, desde smartphones até veículos elétricos.Em ambientes frios, porém, podem ser mais difíceis de carregar e podem até pegar fogo.

Sou professor de engenharia mecânica e me interesso por baterias desde a faculdade.Agora eu lidero um grupo de pesquisa de baterias na Universidade Drexel.

Apenas nesta última década, observei o preço das baterias de íon de lítio cai como o mercado de produção cresceu muito.As projeções futuras prevêem que o mercado poderá atingir milhares de GWh por ano até 2030, um aumento significativo.

Mas as baterias de iões de lítio não são perfeitas – este aumento traz consigo riscos, tais como a sua tendência para abrandar durante o tempo frio e até pegar fogo.

Atrás da bateria de íons de lítio

O armazenamento de energia eletroquímica dentro das baterias funciona armazenando eletricidade na forma de íons.Íons são átomos que têm carga diferente de zero porque possuem muitos ou poucos elétrons.

Quando você conecta seu carro elétrico ou telefone, a eletricidade fornecida pela tomada impulsiona esses íons do eletrodo positivo da bateria para o eletrodo negativo.Os eletrodos são materiais sólidos em uma bateria que podem armazenar íons, e todas as baterias possuem um eletrodo positivo e um negativo.

Os elétrons passam pela bateria como eletricidade.Com cada elétron que passa para um eletrodo, um íon de lítio também passa para o mesmo eletrodo.Isso garante o equilíbrio das cargas na bateria.À medida que você dirige seu carro, os íons armazenados no eletrodo negativo voltam para o eletrodo positivo e o fluxo de eletricidade resultante alimenta o motor.

A diagram showing three boxes, one labeled cathode, one labeled electrolyte, and one labeled anode. Small circles representing lithium ions move to the anode to charge and the cathode to discharge. — Quando uma bateria de iões de lítio fornece energia a um dispositivo, os iões de lítio – átomos que transportam uma carga eléctrica – movem-se do eléctrodo negativo, o ânodo, para o eléctrodo positivo, o cátodo.Os íons se movem ao contrário durante a recarga. Laboratório Nacional de Argonne, CC BY-NC-SA

Embora as baterias AA ou AAA possam alimentar pequenos eletrônicos, elas podem ser usadas apenas uma vez e não podem ser carregadas.As baterias recarregáveis de íons de lítio podem operar por milhares de ciclos de carga e descarga completas.Para cada ciclo, eles também podem armazenar uma quantidade de carga muito maior do que uma bateria AA ou AAA.

Como o lítio é o metal mais leve, tem um alto capacidade específica, o que significa que pode armazenar um enorme quantidade de carga por peso.É por isso que as baterias de íons de lítio são úteis não apenas para eletrônicos portáteis, mas também para alimentar meios de transporte com peso ou volume limitados, como carros elétricos.

Bateria dispara

No entanto, as baterias de íon de lítio apresentam riscos que as baterias AA ou AAA não apresentam.Por um lado, é mais provável que peguem fogo.Por exemplo, o número de Bateria de bicicleta elétrica dispara relatado na cidade de Nova York aumentou de 30 para quase 300 nos últimos cinco anos.

Muitos problemas diferentes podem causar incêndio na bateria.Células mal fabricadas podem conter defeitos, como vestígios de impurezas ou partículas deixadas pelo processo de fabricação, que aumentam o risco de falha interna.

A car in a garage is on fire with the door cracked open, a firefighter carrying a hose runs towards it. — As baterias de íons de lítio em veículos elétricos apresentam maior risco de pegar fogo quando está frio. Departamento do Xerife do Condado de Orange/Conselho Nacional de Segurança nos Transportes via AP

O clima também pode afetar o funcionamento da bateria. Vendas de veículos elétricos aumentaram nos EUA, especialmente em regiões frias como o Nordeste e o Centro-Oeste, onde as temperaturas frias podem prejudicar o desempenho da bateria.

As baterias contêm fluidos chamados eletrólitos, e as temperaturas frias fazem com que os fluidos fluam mais lentamente.Assim, os eletrólitos nas baterias ficam mais lentos e engrossam com o frio, fazendo com que os íons de lítio internos se movam mais lentamente.Essa desaceleração pode impedir que os íons de lítio sejam inseridos corretamente nos eletrodos.Em vez disso, eles podem depositar-se na superfície do eletrodo e formar metal de lítio.

As moléculas nos fluidos movem-se mais lentamente em temperaturas mais frias – a mesma coisa acontece dentro das baterias.

Se houver depósito excessivo de lítio na superfície do eletrodo durante o carregamento, poderá causar um curto-circuito interno.Este processo pode iniciar um incêndio na bateria.

Tornando baterias mais seguras

Meu grupo de pesquisa, junto com muitos outros, está estudando como fabricar baterias que funcionem com mais eficiência no frio.

Por exemplo, os pesquisadores estão explorando a troca do eletrólito usual da bateria e sua substituição por um eletrólito alternativo que não engrosse em temperaturas frias.Outra opção potencial é aquecendo a bateria antes de carregar para que o processo de carregamento ocorra a uma temperatura mais quente.

Meu grupo também está investigando novos tipos de baterias além das de íon de lítio.Podem ser tipos de baterias mais estáveis em faixas mais amplas de temperatura, tipos que nem sequer usam eletrólitos líquidos ou baterias que usam sódio em vez de lítio. Baterias de íon de sódio poderia funcionar bem e custar menos, já que o sódio é um recurso muito abundante.

Baterias de estado sólido use eletrólitos sólidos que não sejam inflamáveis, o que reduz o risco de incêndio.Mas essas baterias não funcionam tão bem quanto as baterias de íon-lítio, por isso serão necessárias mais pesquisas para saber se são uma boa opção.

As baterias de íon-lítio alimentam tecnologias que pessoas em todo o país usam todos os dias, e as pesquisas nessas áreas visam encontrar soluções que tornem essa tecnologia ainda mais segura para o consumidor.

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