Veículos Elétricos - Os Carros Verdes - Emissão "Zero" de Carbono - Tecnologias e Empreendimentos: Baterias de Íons de Lítio – Tecnologias e Bases de Custos (Parte 1/3)

Qual será o impacto do desenvolvimento e os custos que os vários tipos de baterias têm no mercado emergente para os veículos elétricos? Que progressos podemos esperar ver até o fim desta década? Quais as barreiras críticas que precisam ser superadas ao longo do caminho?

A busca a indústria automotiva para limitar o seu impacto sobre o meio ambiente e transformar a mobilidade automotiva em um modo sustentável de transporte prossegue, e continuará prosseguindo, em alta intensidade, apesar de qualquer crise econômica atual, até por que, um vez conhecidas e analisadas as vantagens e desvantagens técnicas das alternativas de tecnologias propulsoras, vislumbra-se que que nisso reside, boa parte da solução das próprias crises.

Assim, abordamos aqui as duas principais variáveis do mercado de desenvolvimento de carros elétricos: os atributos técnicos e os custos de baterias de íons de lítio para aplicações em Veículos Elétricos (VEs).

A avaliação dessas variáveis, está baseada em extensa obra do “The Boston Consulting Group” com as montadoras e fornecedores ao redor do mundo, cuijo documento original se encontra publicamente disponível na Internet, pelo site da Associação Brasileira do Veículo Elétrico (ABVE) em: http://www.abve.org.br/downloads/BCG_-_Batteries_for_Electric_Vehicles.pdf

O estudo original trata-se de uma análise detalhada da paisagem da propriedade intelectual relevante, onde foram realizadas mais 50 entrevistas com fornecedores de baterias, com as montadoras, com investigadores universitários, com empresas iniciando empreendimentos, sobre tecnologias de baterias de ponta e agências governamentais em toda a Ásia, EUA e Zona do Euro.

Isso resultou na criação de um modelo de custo da bateria para VEs, que nos permite projetar custos futuros. As cinco principais questões exploradas foram:

Quais são os desafios tecnológicos que devem ser superados para que as baterias de íons de lítio atendam a critérios fundamentais de mercado?
Como as tecnologias de baterias atingem a maturidade?
Como poderia se representar os seus perfis de custos?
A que montantes os Custos Total de Propriedade ¹(TCO) dos veículos elétricos irão chegar?
Qual será o provável alinhamento de posições dos participantes da indústria na evolução desse mercado?

O Estado Atual da Tecnologia da Baterias para Veículos Elétricos:

A cadeia de valor das baterias dos carros elétricos é composto por sete etapas (Ver figura 1):

Produção de componentes (incluindo matérias-primas);
Produção de células;
Produção dos Módulo;
Montagem de módulos ao pacote da bateria (incluindo uma unidade de controle eletrônico e um sistema de refrigeração ou ventilação);
Integração do pacote de bateria ao veículo;
Uso durante a vida útil do veículo, e;
Reutilização e reciclagem.

Neste relatório é focado as quatro primeiras etapas, que compõem a fabricação de baterias para uso pelas montadoras.

As baterias de íons lítio compreendem uma família de compostos químicos da bateria, que empregam várias combinações de materiais de ânodo e de cátodo. Cada combinação tem suas vantagens e desvantagens em termos de segurança, desempenho, custo e outros parâmetros.

Muito embora a tecnologia mais empregada em aplicações de consumo seja, ainda, a de Óxido de Lítio Cobalto (LCO - LiCoO₂), ela é geralmente considerada inadequada para aplicações em automóveis por causa dos seus riscos de segurança inerentes. As tecnologias mais importantes para aplicações automotivas são:

Oxido de Lítio Níquel revestido de Cobalto e Alumínio (NCA) - Li(NiCoAl)O₂;
Óxido de Lítio Níquel Manganês e Cobalto (NMC) - LiNiMnCoO₂;
Espinela 2 de Lítio Manganês(LMO) - LiMn₂O₄(LiMnO₂);
Titanato de Lítio (LTO) – Li₄Ti₅O₁₂(Li₂TiO₃);
Fosfato de Ferro Lítio (LFP) - LiFePO₄;

Todos estes tipos de baterias automotivas exigem um acompanhamento elaborado, balanceamento e sistemas de refrigeração para controlar a liberação de sua energia química, evitando fuga térmica, e garantindo uma vida razoavelmente longa para as células.

O TCO (Total Cost of Ownership) ou Custo Total da Propriedade (ou de posse), é uma estimativa financeira, projetada para que consumidores e gestores possam avaliar, de modo consistente, os custos diretos e indiretos relacionados à aquisição de todo um investimento importante, além dos gastos extra, inerentes a tais produtos, para mantê-los em funcionamento, ou seja, os gastos para que se continue proprietário daquilo que foi adquirido, oferecendo, idealmente, uma indicação final que reflete não somente o custo de compra mas, de todos os aspectos adicionais da utilização e manutenção do equipamento, do dispositivo, ou do sistema considerado. Isto inclui os custos de infraestrutura e de espaço de instalação, de consumo de energia, de mão de obra da manutenção, de treinamento aos usuários e ainda aqueles associados com possíveis falhas ou de eventuais indisponibilidades (planejadas ou não), que incidam em tempo de espera ou em diminuição de desempenho. Em casos de projetos, somam-se ainda custos do desenvolvimento, de testes, de qualidade assegurada e de de prevenção contra desastres e quebras de segurança, de recuperação, de expansão, de atualização e de desativação do equipamento. O TCO é referido, às vezes, como Custo Total de Operação e fornece uma base do custo, determinando o valor econômico de um dado investimento.

O termo “espinela” (ou espinélios) refere-se a disposição tridimensional dos átomos interligados dos materiais que se cristalizam em sistema cúbico, com hábito octaédrico. Neste caso, o catodo integra elementos ativos, por meio dos quais os íons de Lítio se movem quando a bateria recebe ou libera cargas elétricas, e também elementos inativos, que ajudam a estabilizar o material ativo ampliando a vida útil da bateria.

No relatório do “The Boston Consulting Group”, não foi abordado o impacto de novos compostos químicas da bateria, sejam a base de lítio ou de outra substância qualquer, porque nenhum dos interlocutores entrevistados demonstraram acreditaram que baterias baseadas em algum novo produto químico possam vir a estar disponíveis para a produção em escala algo significativa até 2020.

No entanto, há cada vez mais interesse e atividade, especialmente entre universidade laboratórios de pesquisa, em prosseguir explorar novos mecanismos eletroquímicos que posam impulsionar a energia específica ³ e o desempenho das baterias futuras.

Fatos são que, os pedidos de patentes relacionados, especificamente, com o armazenamento de energia aumentaram 17% entre os anos de 1999 e 2008, o que é duas vezes mais do que o crescimento que ocorreu durante os dez anos anteriores e cerca de 10% maior do que o crescimento global de pedidos de patente durante o mesmo período.

Das patentes de armazenamento de energia registrados na China, Japão, Estados Unidos e Europa Ocidental em 2008, as tecnologias de íons de Lítio foram responsáveis por 62%, tendo crescido em 26% ao ano entre 2005 e 2008.

Patentes de íons de lítio relativos à química dos eletrodos, dos eletrolitos e dos outros materiais, foram apresentadas principalmente por universidades, enquanto as relativas às estruturas de embalagem, do resfriamento e do controle foram apresentadas principalmente por montadoras e fornecedores.

A tecnologia LFP tem sido o foco de, pelo menos, duas vezes mais atividades de patentes do que a tecnologia LTO e quatro vezes mais do que a a tecnologia NMC, provavelmente por causa das características promissoras da LFP, em termos de segurança e maior capacidade utilizável.

A recente explosão de inovação é impulsionada pela necessidade de quebrar alguns paradigmas fundamentais na tecnologia das baterias. No lado técnico, as tecnologias de íons Lítio concorrentes podem ser comparadas ao longo de seis dimensões:

Segurança (principalmente em ser isenta de causar incêndios incidentais);
Tempo de Vida (medido em termos de número de ciclos de carga e descarga da bateria e da idade global);
Performance (potência de pico a baixas temperaturas, estado de carga de medição e gestão termicamente);
Densidade de Energia (quanta energia da bateria pode armazenar por quilograma de peso);
Potência específica (o quanto de energia a bateria pode armazenar por quilograma de massa);
Custo. (Ver Quadro 2).

No lado do negócio, os altos custos permanecem como o maior obstáculo. O desafio será reduzir custos de fabricação através da produção em escala e efeitos de experiência, como volumes do mercado de expansão. Um outro aspecto, é o tempo de carga, que não varia substancialmente entre as várias tecnologias de baterias atuais, mas que continua sendo um desafio de desempenho significativo para todos elas.

Atualmente, como mostra o Quadro 2, nenhuma tecnologia se destaca, substancialmente, ao longo de todas as seis dimensões. Escolhendo uma tecnologia que otimiza performance ao longo de uma dimensão, pode significar, inevitavelmente, comprometer algumas das outra dimensões.

A tecnologia NCA, por exemplo, é uma solução de desempenho bastante elevada, mas apresenta desafios de segurança, ao passo que a tecnologia LFP é mais segura, ao nível da célula, mas fornece uma energia específica baixa. Entrevistas, realizadas durante o curso deste estudo sugerem que vários produtos químicos tendem a coexistir por algum tempo, enquanto as tecnologias evoluem e a propriedade intelectual fica resolvida.

Qualquer um dos concorrentes que conseguir quebrar alguns dos paradigmas inerentes entre as tecnologias atuais irá ganhar uma vantagem competitiva significativa no mercado. Enquanto isso, todos as montadoras e fornecedores terão de administrar as compensações entre os seis principais parâmetros de desempenho.

Em análises de armazenamento de energia, a densidade de energia é a razão entre quantidade máxima de energia que pode ser armazenada, seguramente, em um corpo de elemento armazenador de energia e o volume daquele corpo. Quanto mais alta a densidade de energia, que pode ser quantificada em W.h/l (watt.hora por litro) ou em MJ/l (megajoule por litro), mais energia pode ser armazenada ou transportada por aquele corpo, com o mesmo volume. Já, quanto a energia específica, ela relaciona, também a quantidade máxima de energia que pode ser armazenada, só que com a massa do corpo do elemento armazenador, e pode ser quantifica em W.h/kg (watt-hora por kilograma). A energia especifica é a grandeza mais comumente utilizada quando se trata das baterias dos veículos elétricos e, ainda, a densidade de energia pode se tornar enganosa quando se trata de combustíveis em estado não sólido, que sofrem alteração de volume quando submetidos a variação a pressão. Por sua vez, a potência específica, relaciona a potência com a massa.

A Segurança:

A segurança é o critério mais importante para o carro elétrico a baterias. Mesmo um incêndio em uma única bateria poderia fazer a opinião pública voltar-se contra a mobilidade elétrica e atrasar o desenvolvimento da indústria em meses ou anos. A principal preocupação nesta área é evitar a fuga térmica, um ciclo de realimentação positivo pelo qual as reações químicas desencadeadas na célula exacerbar a liberação de calor, potencialmente, resultando em um incêndio. A fuga térmica pode ser causada por uma bateria sobrecarregada, ou por uma taxa de descarga demasiado elevada, ou um curto-circuito.

Químicas que são propensas a fuga térmica, tais como NCA, NMC, e LMO, devem ser utilizadas em conjunção com medidas de nível de segurança do sistema que, quer contenham as células ou controlem o seu comportamento. Essas medidas incluem uma caixa de bateria robusta, um sistema de arrefecimento muito eficiente (para evitar as fases iniciais da fuga térmica), e monitorização estado exato de carga e equilíbrio de descarga das células.

As montadoras e os fornecedores precisam decidir o que é preferível: as químicas inerentemente mais seguras, tais como a LFP e a LID, ou as químicas que oferecem energia mais elevada, mas são menos seguras, tais como NCA, que deve ser usada em conjunção com sistemas de segurança rigorosos.

Embora a segurança da bateria seja, indiscutivelmente, uma preocupação válida, é bom que se coloque esta preocupação no devido contexto, recordando os significativos desafios de segurança, originalmente associado ao motor combustão interna e com o armazenamento de gasolina, que foram largamente ultrapassados através de melhorias no projeto e na engenharia.

“Segundo dados recentes, o mercado de VEs foi o segmento que mais cresceu na indústria automobilística dos EUA no primeiro trimestre deste ano (2012), com um aumento de 3,4% em comparação com o crescimento ocorrido no mesmo período do ano anterior que foi de 2,6%.

Em reconhecimento a esse rápido crescimento do segmento de VEs nos EUA, várias instituições, tais como a NHTSA (National Highway Traffic Safety Administration), cuja missão institucional é salvar vidas, prevenir lesões e ajudando a reduzir inconformidades que geram demandas com relação a saúde e outros custos econômicos relacionados a mobilidade automotiva, vem buscando canalizar atenção no aumento da segurança da bateria de íons de Lítio, trazendo as partes interessadas para compartilhar informações sobre o estado das atividades de segurança relacionadas com o uso de baterias de íons de Lítio para VEs, bem como promover e desenvolver padrões da indústria no que diz respeito a tais baterias.

Enquanto o mercado de EV está crescendo, especialistas do setor automotivo (incluindo os defensores dos VEs) consideram a questão em torno da segurança dos VEs como sendo uma das principais razões (juntamente com um maior custo de entrada), que fazem com que os consumidores ainda hesitem em fazer a troca de carros convencionais movidos a gasolina por VEs, impedindo um maior crescimento.

Os veículos elétricos e híbridos plug-in são alimentados por baterias de alta tensão de até 400 volts e dispositivos ou sistemas de máxima prevenção contra incêndios necessários e estão sendo exigidos em boa parte dos países em que eles já são, efetivamente, comercializados.

O Chevy Volt é um híbrido e não um EV puro e tem estado envolvido em alguns casos de incêndios reportado nos EUA, como o que aparece na foto. Nestes casos de incêndio, alguns iniciados após uma batida do veículo, ao menos um simplesmente rodando e um outro parado na garagem, estão todos sob investigação ainda, mas o vazamento do refrigerante já é apontado como maior suspeito (ou a instalação elétrica da garagem, no caso do que estava estacionado). Ainda não foi reportado, até o momento, nenhum caso de incêndio ocorrendo com o Nissan LEAF, que é atualmente o EV puro mais vendido naquele país."

Tempo de Vida:

Há duas maneiras de se medir a vida útil da bateria: pela estabilidade do ciclo e pela idade em geral. Estabilidade do ciclo é o número de vezes que uma bateria pode ser totalmente carregada e descarregada antes de ser degradada para 80% de sua capacidade original com carga completa. Idade em geral é o número de anos que pode ser esperado para uma bateria permanecem útil. As baterias de hoje fazem cumprir os requisitos do ciclo de estabilidade dos gatos elétricos sob condições de teste.

Durante toda a idade, no entanto, continua a ser um obstáculo, em parte porque o envelhecimento acelera sob temperaturas ambientes mais elevadas. É ainda incerto quão rápido de vários tipos de baterias vai idade através de uma gama de condições específicas de temperatura automóvel.

Para gerenciar essas incertezas, as montadoras estão especificando baterias de porte suficiente para atender às necessidades de armazenamento de energia dos carros elétricos ao longo da vida típica de um veículo (algo ≥10 anos).

A maioria dos fabricantes de automóveis estão a planear para um período de dez anos a vida da bateria, incluindo a degradação esperada. Por exemplo, uma montadora, cujo carro elétrico requer um nominalmente 12 kW.h, a bateria pode ser especificada para 20 kW.h , de modo que, depois de dez anos ela possa ter sofrido uma degradação de desempenho 40% e, ainda assim a bateria terá capacidade de energia suficiente para a operação normal. Naturalmente, esta abordagem aumenta o tamanho, o peso e custo da bateria, que afeta adversamente a questão comercial dos carros elétricos.

As montadoras podem considerar outras opções, como por exemplo, eles poderiam optar por instalar baterias menores, com uma vida útil mais curta, e um plano para substituí-las a cada cinco a sete anos, possivelmente sob alguma forma de programa de garantia.

Esta abordagem permitiria as montadoras usarem baterias menores, inicialmente, e ir atualizando-as na medida em que a tecnologia continue avançando. Modelos de negócio de locação de baterias, como os propostos pela Think, um fabricante de pequenos carros urbanos, ou melhor dizendo, um provedor de inicialização de infraestrutura da bateria, também admitem, sem problemas, baterias de vida mais curta.

Estes modelos permitirão desacoplar a vida útil da bateria da vida útil do veículo e, principalmente, removem parte dos custos iniciais da bateria. As montadoras podem optar por instalar baterias menores com uma vida útil mais curta e substituí-los a cada cinco ou sete anos.

“Recentemente, na Inglaterra, tanto usuários de VEs, quanto agentes de companhias seguradoras, mesmo as especialistas dedicadas a “clientela verde”, têm relatado que estão encontrando algumas dificuldades em oferecer cobertura de seguro para os VEs cujos proprietários obtiverem a bateria por meio de modelos de negócio de locação de baterias, como os propostos pela Think e outros fornecedores. As questões se encontram, atualmente, ainda sob estudos e negociações.”

Performance:

A expectativa de que o proprietário de um VE deve ser capaz de conduzi-lo, tanto em temperaturas de um verão incrivelmente quente, quanto nas de um inverno, à temperaturas abaixo de zero, coloca desafios de engenharia substanciais. As baterias podem ser optimizadas tanto para temperaturas altas quanto baixas, mas é difícil de obter uma engenharia que as faça funcionar numa larga gama de temperaturas, sem incorrer em degradação do desempenho.

Uma solução seria as montadoras prescreverem baterias para climas específicos. Por exemplo, as baterias otimizadas para desempenho e resistência em climas frios iria contar com aquecimento e isolamento, enquanto que aquelas projetadas para climas quentes usaria eletrólitos e materiais que permitissem o armazenamento à alta temperaturas.

As diferenças entre estes dois modelos de bateria seria algo mais substancial do que a atual distinção entre, por exemplo, pneus de clima frio e de clima quente. Mas esta abordagem resultará em baterias com maior funcionalidade, embora sob condições limitadas. No entanto, devido aos climas específicos, as baterias iriam dificultar a mobilidade dos veículos em todas as regiões e, as montadoras estão propensas a preferir uma desvantagem desempenho ou aumento dos custos gerais do sistema, a fim de evitar tais restrições.

“O VE Nissan LEAF se encontra atualmente em testes no Brasil, sob um convênio entre a montadora do carro, governo e empresas de frotas de táxis. É de conhecimento público a alegação deste fabricante de que obteve exito em desenvolver uma bateria altamente segura e que parece não requer climatização específica. O pacote de baterias do Nissan LEAF não possui sistema de arrefecimento, apenas ventilação simples. Para o consumidor local seria algo desejável, que no próximo verão brasileiro (2012-2013) já houvessem algumas centenas desses carros rodando em testes por aqui, espalhados principalmente nas regiões mais quentes do nordeste, para sabermos se o estado da arte em qualidade dessa bateria é mesmo tão bom.”

Energia Específica e Potência Específica:

Comparativamente, a Energia Específica das baterias ainda é apenas algo inferior a 2% da energia específica de gasolina. A menos que haja um grande avanço, mesmo as baterias de melhor desempenho vão continuar a limitar o intervalo de condução de VEs, nas melhores estimativas, em cerca de 250 a 300 Km (cerca de 160 a 190 milhas) entre operações de carregamentos completos.

As células da bateria de hoje podem chegar a densidades de energia nominais de 140 a 170 Wh.kg , o que pode parecer, realmente, muito pouco, em comparação com 13800 W.h/kg da gasolina ou com os 14900 W.h/kg do GNV. Ver quadro comparativo entre várias tecnologias de armazenamento na postagem:

http://automoveiseletricos.blogspot.com.br/2012/07/expansao-da-autonomia-em-veiculos.html ).

A energia específica, considerando o pacote de baterias resultante após a quarta etapa da cadeia de valor (que agrega além dos elementos armazenadores, também todo aparato de dispositivos eletroeletrônicos do sistema de controle / monitoramento e fluxo de potência), é ainda, tipicamente, 30% a 40% inferior, ou seja, de 84 a 120 Wh / kg. Mesmo que a densidade de energia venha a dobrar nos próximos dez anos, os pacotes de baterias ainda iriam armazenar apenas cerca de 200 W.h / kg.

Assumindo que a bateria pesa cerca de 250 kg - cerca de 20% a 25% por cento do peso total típico de carros pequenos de hoje – dobrar a densidade de energia resultaria em um carro elétrico com uma autonomia de cerca de 300 quilômetros.

Por sua vez, o parâmetro Potência Específica é particularmente importante em veículos híbridos, que apesar de descarregarem uma quantidade de energia relativamente menor, o fazem bastante rapidamente. Nos VEs, potência específica é menos importante do que a energia específica. Os fabricantes têm estabelecido parâmetros de projeto para baterias de veículos elétricos para otimizar o equilíbrio entre a energia específica e potência específica.

Atualmente, o desempenho de pilhas e baterias em termos de potência específica é igual ou superior ao de combustíveis. Assim, os pesquisadores estão concentrando seus esforços no aumento da energia específica de pilhas e baterias para um dado nível de potência.

Tempo de Carregamento:

Longos tempos de carregamento representam um outro desafio técnico e, também, uma barreira comercial, que deve ser abordada. Demora-se quase 10 horas para carregar uma bateria de 15 kW.h conectando-a em um padrão de saída de tensão 120V_CA.

“Considere que, neste caso, estará se fazendo uso de um simples cabo de força com plugues adaptadores e que, assim, recai sobre o próprio sistema do VE, limitar a corrente que é demandada na operação de carregamento. Por questões de segurança das instalações elétricas residenciais, isto foi pensado para que tal corrente não exceda a algo em torno de 15A ou 16A.”

Métodos de carregamento rápidos, que empregam Estações de Carregamento mais sofisticadas podem reduzir esse tempo significativamente. Por exemplo, o carregamento por meio de uma tomada de 240 volts com potência aumentada (corrente de 40 A) pode realizar o carregamento exemplificado, em duas horas. Carregamentos feitos em uma estação pública comercial de (que fornece ao EV, corrente contínua (CC) a partir de rede de corrente alternada (CA) trifásica) pode ser realizado em apenas 20 minutos.

Estes múltiplos sistemas de carregamento incidem em um custo e um peso adicional ao EV, uma vez que requer dispositivos de eletrônica de potência e sistemas de refrigeração a bordo do veículo. Possíveis métodos que envolvam a simples troca da bateria, como em modelos de EVs novos que venham a ser projetados, contemplando a integração da mesma em um local e com um método de montagem melhor no EV, prometem oferecer uma carga completa em menos de três minutos.

Mas essas abordagens novas ainda carecem de acordo entre as montadoras sobre os requisitos de normalização das embalagens e implicaria em adicional complexidade logística e ainda no estabelecimento de uma delicada relação de confiança, entre os consumidores e fornecedores, sobre a quem pertence uma bateria que se estraga.

Sem que surja algo realmente novo no avanço da tecnologias de baterias, VEs puros que venham a ser tão conveniente como os veículos a gasolina – em termos de autonomia, ou seja, que possam viajar 500 quilômetros (312 milhas) com uma única carga e que possam, ainda, se recarregar em questão de poucos minutos, é pouco provável que estejam disponível para o mercado de massa até 2020.

Tendo em vista a necessidade de uma infraestrutura generalizada para carregar (ou trocar) a bateria, a adoção de VEs puros até 2020 poderá continuar algo limitada, a aplicações específicas, tais como frotas comerciais, carros de transporte regional, e carros que estejam confinados a um intervalo prescrito de utilização.

Claro que, veículos de autonomia estendida, que combinam tração a energia elétrica com um motor a combustão, ultrapassam o intervalo e as limitações de infraestruturas de VEs puros, todavia, com um aumento do custo em relação ao tradicional motor a combustão.

“De qualquer modo, participar da fabricação das baterias, pode ser a chave para o Brasil entrar no cenário automobilístico mundial. Temos recursos minerais e proximidade com fontes minerais ainda maiores (Chile e Bolívia), e temos expertise para começar esse negócio de modo verdadeiramente competitivo e o cenário ainda é convidativo. Creio que grandes empresários nacionais que intentam aproveitar a onda que vem com essa nova oportunidade, devem começar apostando em baterias de íon de Lítio.”

Link direto para a parte 2/3: