Causas da degradação da bateria

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Em meio a uma grande variedade de baterias, cada tipo de célula e subespécie de dispositivo apresenta uma vulnerabilidade única à degradação, influenciada pelo uso e outros fatores. Algumas células prosperam em baixas temperaturas, outras se destacam em altas correntes. Essa especialização, contudo, muitas vezes tem um custo.

O envelhecimento da bateria está relacionado ao tempo (em casos de calendário ou envelhecimento “calendário”) ou ao uso, com carga e descarga representando envelhecimento “cíclico”.

Ambas as formas de envelhecimento contribuem para o desbotamento da capacidade e da eficiência e para o aumento da resistência interna à medida que os íons ficam presos em reações colaterais desagradáveis ​​para sempre. Estas reações são impulsionadas por vários “fatores de influência”. Normalmente, os íons reagem irreversivelmente com outros materiais na célula, formando resíduos passivos e impedindo seu uso para transporte de energia.

Fatores de influência comuns – cujo impacto varia de acordo com o tipo de célula – incluem a temperatura das células da bateria; estado de carga do dispositivo (SOC); e a corrente ou potência usada durante a carga e descarga. Em relação ao estado de carga – a quantidade de carga, ou energia, em uma bateria – o SOC inativo é importante quando a bateria não está em uso e a janela SOC (o intervalo em que ocorre o ciclo) é relevante quando um dispositivo está em ciclo.

O estresse mecânico, como vibração e pressão, é outro fator que influencia a degradação da bateria, mas vamos nos concentrar nos três fatores acima por enquanto.

Temperatura

A temperatura desempenha um papel fundamental na vida útil da bateria. A maioria dos produtos químicos celulares se beneficia do armazenamento e da inatividade em baixas temperaturas, abaixo de 20°C, pois isso retarda o envelhecimento do calendário, reduzindo a chance de reações colaterais. A marcha lenta em temperaturas mais altas pode aumentar muito a taxa de degradação.

Por outro lado, a maior parte da tecnologia celular é muito sensível à operação em baixas temperaturas, causando um dilema. Com mais de 30°C a 40°C abaixo do ideal, o ponto ideal para a operação da célula da bateria é em torno de 15°C a 25°C, para a maioria dos produtos químicos. As baterias mais recentes à base de níquel-manganês-cobalto (NMC) são muito sensíveis ao carregamento em baixa temperatura e podem ocorrer defeitos perigosos se o carregamento for inferior a 10 C. No gráfico à esquerda, mostrando três células NMC de alta qualidade do mesmo tipo , a taxa de degradação é ligeiramente melhorada reduzindo a temperatura operacional em 10 C, de 25 C (linha laranja) para 15 C (linha violeta). No entanto, descer 10 C (linha azul) causaria a queda da bateria quase imediatamente.

Revestimento de lítio

As baterias de íon-lítio (íon-lítio) são geralmente seguras, mas sob certas condições – em temperaturas frias, sob alta corrente ou com um eletrodo hospedeiro já bem preenchido – elas podem sofrer revestimento de lítio. O exemplo acima mostra o impacto do revestimento em baixa temperatura. O revestimento é uma forma de resíduo que ocorre quando os íons de lítio formam depósitos metálicos dentro das células da bateria. Com o tempo, este processo pode acumular-se e eventualmente levar a curtos-circuitos internos que podem desencadear uma fuga térmica – uma libertação rápida e perigosa de calor e gases.

SOC

O estado de carga tem um impacto substancial na vida útil da bateria. Tanto o SOC ocioso, durante o não uso (que diz respeito ao envelhecimento do calendário), quanto a faixa ou janela do SOC durante a operação (envelhecimento cíclico) são importantes. O exemplo a seguir mostra duas células NMC idênticas.

O gráfico abaixo mostra a evolução da degradação de dois casos de uso quase idênticos de células NMC de alta qualidade.

Ambos usam apenas cerca de 50% da bateria, e o primeiro caso de uso (a linha azul) faz isso na metade superior do SOC, começando totalmente carregado e caindo para 50% antes de ser totalmente carregado novamente. O segundo caso de uso (em laranja) começa com 50% de carga e termina praticamente vazio. Como mostram os gráficos, o impacto na degradação é incrível: a bateria laranja durará duas a três vezes mais que a azul, reduzindo o custo total de propriedade em mais de metade.

Deve-se ressaltar, entretanto, que este é um exemplo de um tipo específico de célula e que outros dispositivos e células podem se comportar de maneira completamente diferente. Como regra geral, evitar um SOC acima de 90% e abaixo de 10% geralmente prolonga a vida útil da bateria, mas há exceções.