Google News - Top Stories

segunda-feira, 9 de junho de 2014

Baterias de Duplo Carbono: Será este, finalmente, o grande avanço que já foi prometido por tanto tempo?

Ninguém, aqui, nunca pretendeu ocultar que, um infeliz "segredo" da indústria automotiva verde, é que o seu componente mais preponderante, sua majestade, A BATERIA, não procede, e nem termina, de fato, em uma cadeia produtiva que seja realmente limpa.

Mas do que qualquer outra parte de uma carro, a bateria, é a parte que de modo mais garantido e rápido, tende a se tornar sucata, e quando elas morrem, elas sempre devem ser descartadas com cuidado para evitar danos ao meio ambiente

Todos que têm acompanhado de perto este blog sabem que, as células de todas as principais tecnologias de baterias a base de Lítio,  as quais apresentam atributos adequados para serem empregadas como fonte de energia para tração de veículos elétricos, a saber: Óxido de Lítio Níquel revestido de Cobalto e Alumínio (NCA), Óxido de Lítio Níquel Manganês e Cobalto (NMC), Espinela 2 de Lítio Manganês (LMO), Titanato de Lítio (LTO), Fosfato de Ferro Lítio (LFP), possuem a características comum de ter apenas um de seus eletrodos a base de carbono (C), no caso, o eletrodo de anodo.

Também todos sabem que, todas essas tecnologias mencionadas (associadas com a aplicação em VEs), vinham caminhando como que num "empate técnico", apresentam tanto vantagens como desvantagens, umas em relação às outras.

Agora, um já celebrado empreendimento japonês chamado Power Japan Plus (PJP), promete não apenas corrigir alguns desses problemas, mas promete, ainda, que a sua nova tecnologia irá revolucionar o mundo das tecnologias de baterias.

Laboratório de Pesquisa e desenvolvimento em baterias da Power Japan Plus (PJP)

Se suas reivindicações básicas para o avanço forem verdadeiras, o que realmente parece ser uma aposta justa, a nova tecnologia, batizada de "Bateria Ryden Duplo Carbono", poderá estender significativamente não só a capacidade de carga, como também, o tempo de vida útil de uma bateria, reduzindo, ainda, grandemente o custo, o tempo de recarga, e o impacto ambiental de sua cadeia produtiva.

Na bateria de Duplo Carbono, assim chamada pelo fato de que tanto o anodo, quanto aos eletrodos (anodo e catodo), são ambos feitos a base de carbono, o que poderá resultar em um veículo elétrico moderno, com uma autonomia de cerca de 500 quilômetros (ou 300 milhas), o que o colocaria em uma classe, com uma bateria de mais alta qualidade e performance do que um Tesla Modelo S atual.

Apesar da sua impressionante densidade de energia, que é igual ou até superior a das células de íons de lítio modernas, tal bateria, poderá, ainda ser carregada até 20 vezes mais rápido do que as baterias de íon atuais, e fazer isso livre dos danos de envelhecimento precoce relativos ao processo de carregamento rápido, inerente das baterias de lítio já bem conhecidas.

Somente esse fato, por si só, faria a bateria Ryden de extremo interesse para fabricantes de veículos elétricos, a medida em que é uma preocupação comum e recorrente para os usuários de VEs, se você vai usar a bateria com cargas rápidas, pois a PJP alega que, mesmo com uso predominante de carga rápida, a tecnologia pode levar a um produto com, pelo menos, 3000 ciclos de descarga antes de começar a degradar.

Não obstante o elevado número de ciclos de descarga, um outro número importante associado a esta bateria, é o zero: uma bateria dual-carbono experimenta uma variação de temperatura nula em função da operação. Isto não só faz com que as baterias se tornem potencialmente muito mais seguras para utilização a longo prazo, mas elimina a necessidade de complexos e caros sistemas de arrefecimento delas, que consumem espaço e agregam peso aos VEs.

Além disso, uma vez que elas não entram em curto-circuito quando totalmente descarregada, eles podem ser executadas por mais tempo para, teoricamente, prolongar a vida útil da bateria ainda mais.

A Arquitetura da Tecnologia:


Como mencionado, as Baterias Ryden Duplo Carbono, empregam carbono tanto no anodo e catodo, impregnados com um eletrólito orgânico, contendo não apenas os íons de lítio (íons de carga positiva), mas também íons de um outro elemento químico (só que de carga negativa) .

A imagem a seguir da conta de que parece ocorrer uma transmigração de portadores: não apenas os íons (cátions) de lítio (Li+) se movimentam nas operações de carga / descarga mas, também, os ânions (A-), a partir de um outra substância. No final da carga, ambos elementos da solução estarão recombinados na região central da bateria, e ela não apresentará tensão entre seus terminais (bateria descarregada).


As Células de Duplo Carbono têm sido descritos, na teoria, pelo menos desde 1978, mas anos de pesquisa e desenvolvimento foram necessários para fazê-las confiáveis, eficazes e adequadas para a produção em massa, em grandes volumes, afirmou o CEO da Power Japan Dou Kani , ao Green Car Reports.

Também chamada de bateria Dual-Carbono (ou, ainda, bateria Dual-Grafite), foi introduzida pela primeira vez por McCullough e seus colegas da Dow Chemical em uma patente de 1989 e foram posteriormente estudadas por Carlin et al. (1994) e Seel e Dahn (2000), juntamente com muitos outros.

O conceito de base da célula é de que os íons de lítio (Li+), a partir do eletrolito, são inseridos (depositados) sobre o anodo (eletrodo negativo), enquanto que os ânions correspondentes (A-), também a partir do electrolito, são intercaladas no cátodo (eletrodo positivo). Ambos os eletrodos são de carbono (por exemplo, a grafite mas, tudo indica que seja grafeno).

Durante a descarga, ambos os ânions e os íons de lítio são liberados de volta para o eletrolito, na região central da bateria. Assim, como Rothermel et al. bem observou em sua revisão de 2013 sobre desafios e oportunidades desta tecnologia, o eletrolito em tal sistema, não atua somente como portador de carga, mas também, diferente das demais baterias de íons de lítio, contém o próprio material ativo.


O emprego de carbono em ambos eletrodos tem inúmeros benefícios que vão além do custo; mas pouco se sabe sobre detalhes da química do carbono utilizado em ambas as extremidades desta bateria, mas sabemos que a PJP afirma que é feita a partir de, entre outras coisas, de fibras de algodão. 

No momento, fora do âmbito do projeto da PJP, não se sabe, exatamente, que tratamento é necessário a ser feito no anodo ou no catodo de carbono de algodão, mas seja qual for a técnica, ela é patenteada e não parece fazer os eletrodos menos amigáveis ao meio ambiente.

A célula de bateria da PJP é baseada no trabalho do Professor Tatsumi Ishihara, da Universidade de Kyushu (que eu conheci em visita de estudos patrocinado pela JICA em 2001), no Japão; Em um pedido de patente, de 2013, sobre a tecnologia, Ishihara e seus colegas explicaram as reações de carga e de descarga, usando o sal LiPF(Hexafluorofosfato de lítio):

No eletrodo positivo:        PF6 + nC ⇄ Cn(PF6)+e

No eletrodo negativo:       Li+ + nC+e ⇄ LiCn

A Capacidade de Carga é determinada pela capacidade de armazenamento dos ânions do eletrodo positivo, mas, também, pela quantidade possível de libertação de ânions do eletrodo positivo, pela capacidade de armazenamento de cátions do eletrodo negativo, pela quantidade possível de libertação de cátions do eletrodo negativo e, por fim, pela quantidade de ânions e cátions presentes na solução do eletrolito (não aquoso).

Para melhorar a capacidade de descarga na célula de duplo carbono, é necessário aumentar não só os respectivos materiais ativos positivo e negativo nos eletrodos mas, também, a quantidade do eletrolito não aquoso, incluindo o sal de lítio LiPF6. Como a concentração de íons no eletrolito está variando durante os processos cíclicos de carga e descarga, deve haver sal de lítio no eletrolito da célula, em quantidade suficiente para garantir a condutividade, e deve haver, também, solvente suficiente para permitir que o sal seja dissolvido, em qualquer ponto de estado, seja durante a carga ou a descarga.

No seu pedido de patente, Ishihara e seus colegas notaram que em tal célula de duplo carbono, a precipitação e a dissolução do sal de lítio, tal como um sal de apoio, podem ter lugar em qualquer local da célula, onde exista o electrólito não aquoso. No entanto, a precipitação de uma grande quantidade do sal de apoio nas superfícies de eletrodos provoca um problema de diminuição da densidade de energia da célula, uma vez que o sal de suporte, em estado sólido, torna-se em um material isolante elétrico.

O Prof Ishihara (e sua equipe) afirmam, entre outras coisas, que eles criaram uma maneira de evitar que o sal de apoio se precipite sobre uma superfície do eletrodo, juntamente com a melhoria da elevada capacidade de descarga e melhoria da densidade de energia gravimétrica.

As células de teste iniciais não foram produzidas com o carbono orgânico, mas a meta da empresa é criar uma célula de bateria que não seja apenas competitiva com células de Li-íons de hoje, mas , que utiliza, também, insumos totalmente orgânicos que podem ser totalmente reciclados no fim da sua vida.

O material, conhecido como complexo de carbono, é feito com algodão orgânico naturalmente crescido, que é então processado através de técnicas especiais para controlar o tamanho dos cristais de carbono formado durante a produção.

A bateria de Duplo Carbono deve ser facilmente reciclável e ambientalmente segura quando do seu descarte, com menos entrada de energia durante a sua vida útil, e sem empregar nenhum dos metais raros ou pesados ​​necessários em várias químicas de células de baterias de íons de lítio atuais.

Os maores méritos pelo avanços na química estão sendo atribuídos ao diretor de tecnologia Kaname Takeya e Dr. Tatsumi Ishihara, da Universidade de Kyushu, em Fukuoka, no Japão, que em parceria com a empresa vem desenvolvendo a célula para aplicações comerciais.

Enquanto eles não podem fornecer detalhes devido a várias patentes pendentes, Takeya disse que a química requer mudanças específicas e proprietárias para a nanoestrutura dos cristais de carbono. As Células de Duplo Carbono podem entregar uma tensão elétrica superior a 4 Volts (maior do que as de Li-ion). 

Tendo um único material como entrada, o carbono, para produzir os seus eletrodos, isso reduz o número de materiais que devem ser adquiridos para a cadeia de abastecimento, simplificando todo o processo de produção de uma bateria que, além de permitir carregar 20 vezes mais rápido do que as demais baterias de íons de lítio, pode, também, se encaixar diretamente em processos de fabricação existentes, sem necessidade de mudança para as linhas de produção existentes.

Em testes, a célula já completou mais de 3.000 ciclos de carga / descarga (e está classificada para mais de 3.000 ciclos) com praticamente nenhuma degradação de desempenho, o que significa que ele pode conseguir durar toda a vida útil de um carro, ou seja, por 10 anos ou mais, e pode ser descarregada até o zero de carga, sem se danificar (ao contrário das células de Li-íon).

Comparativo de durabilidade da capacidade de energia em função do número de ciclos de carga / descarga, entre a nova bateria de Duplo Carbono (DCB) e outras tipos da tecnologia Li-íons de Espinela 2 de Lítio Manganês (LMO)

A Power Japan afirma que uma célula Ryden mal aquece durante a carga e a descarga: "experiências revelaram mudanças térmicas mínimas", disseram, o que reduz consideravelmente o risco de fuga térmica que pode levar à explosão e incêndios.

Enquanto a Power Japan não pode revelar seu primeiro cliente hoje, o CEO Kani disse que ele vai anunciar um parceiro em agosto, que irá construir as tais baterias e adicionar um sistema de gerenciamento a elas. Enquanto isso a Power Japan irá começar a produção de células Ryden no formato de células comerciais 18.650, ainda este ano, em sua unidade de produção pequena, em Okinawa, no Japão.

Essas células serão destinados para os mercados de especialidades de baixo volume, incluindo satélites e de armazenamento de energia em equipamentos médicos, em volumes de 500 a 5.000 células por mês.

Para a produção de maior volume, destinada a outros mercados, incluindo veículos elétricos plug-in, é que a empresa irá licenciar sua tecnologia e dar consultoria para fabricantes de pacotes de baterias existentes para que possam produzir os materiais do anodo e do catodo nas suas próprias instalações.

O próximo anúncio será uma parceria com uma "empresa de renome mundial" no campo de automobilismo, que irá construir pacotes e sistemas completos de bateria, testá-los e oferecê-los no mercado.

"A bateria dual-carbono Ryden é o avanço de armazenamento de energia necessária", disse o CEO da Kani, "para trazer a tecnologia verde como veículos elétricos para o mercado de massa."

A empresa propõem que a capacidade de poder carregar a bateria bem mais rapidamente poderá viabilizar, definitivamente, os VEs de longo alcance, a medida que também a frenagem regenerativa será mais eficiente (pois esta bateria pode permitir maximizar o reaproveitamento da energia produzida nela). Porque a célula de carbono duplo, pode ser 100% descarregada, sem sofrer dano, pode-se aumentar ainda mais a duração de cada ciclo de carga útil.

Tudo leva a crer que as células de Li-íons devem continuar a ser a química de bateria padrão para carros elétricos, pelo menos até o final da década, mas o anúncio da Power Japan Plus, juntamente com outros avanços potencialmente promissores em células de lítio-ar e outras químicas avançadas, mostram a importância vital dessas tecnologias de baterias para o futuro do transporte.

Veja, abaixo, alguns dos vídeos promocionais da nova tecnologia:





Último informe:


A Power Japan Plus anunciou em 16/06/2014 uma parceria entre ela a Equipe TAISAN, que tem profunda experiência em tecnologia automotiva, especialmente com a alta performance exigida pelo automobilismo esportivo mundial, para desenvolver o primeiro VE alimentado pela bateria Ryden duplo carbono. Um Kart elétrico começará o teste de condução, ainda em agosto deste ano.

Veja Também:


Máquinas Elétricas de Imãs Permanentes (Parte 2/2)




Um comentário:

  1. Essas tecnologias acabavam sendo enterradas pela lama negra do petróleo,tomara que isso mude para que o planeta sobreviva!

    ResponderExcluir

Licença Creative Commons
Este trabalho de André Luis Lenz, foi licenciado com uma Licença Creative Commons - Atribuição - NãoComercial - CompartilhaIgual 3.0 Não Adaptada.