Carros Elétricos: Um desafio de armazenamento

Introdução

Se para alguns dos mais velhos carros à gasolina foram sinônimos de crescimento e ascensão social por mais de 50 anos do século passado, para a geração atual carros elétricos são o objeto de desejo. Para muitos, essas máquinas sofisticadas são símbolos da mais alta tecnologia no mundo. Contudo, carros elétricos possuem uma história conhecida por poucos, com seus primeiros modelos antecedendo até mesmo a invenção do carro à gasolina. Nesse post vamos puxar um pouco as cortinas que ficam sobre os carros elétricos, vendo um pouco mais sobre o que são exatamente carros elétricos, um pouco sobre sua história e algumas das tecnologias que possibilitaram seu crescimento exponencial nos últimos anos.

Fig. 1 – Tesla Roadster

Prólogo 

Quando falamos em carros elétricos em 2020, as primeiras imagens que nos vem à cabeça são de super carros como Toyota Prius, Tesla Modelo 3, BMW e outras companhias de luxo. Contudo, poucos sabem da história dos carros elétricos e de sua nebulosa origem.

Apesar de incerto, muitos atribuem à criação dos primeiros carros elétricos ao inventor americano Thomas Davenport, em 1835, com a criação de um carro cujo funcionamento dependia de grandes eletroímãs para locomoção do carro em trilhos de trem especializados. Na mesma década outros carros elétricos foram criados, contudo sua produção em massa só ocorreu no começo dos anos 1860, após a criação da bateria de chumbo-ácido em 1859. A era de ouro dos carros elétricos ocorreu nos anos 1900 com carros elétricos produzidos pela companhia Elwell-Parker na Inglaterra.

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Fig. 2 – Carro elétrico Ewell-Parker 

O aparente sucesso dos carros elétricos nos anos 1900 logo foi reduzido a cinzas no início dos anos 1920 com o aperfeiçoamento do ciclo diesel, a criação de motores à combustão compactos o suficiente para serem acomodados em carros pessoais e com o barateamento de combustíveis químicos como diesel e gasolina.

Após seu desaparecimento no mercado, carros elétricos só voltaram a tomar o interesse público na última década, com a aparição de modelos híbridos como o Toyota Prius e modelos totalmente elétricos como o Tesla Roadster em 2010.

Diferentemente do que alguns podem achar, a volta dos carros elétricos aos holofotes não é um sintoma de uma conscientização global sobre os riscos de uso à longo prazo de combustíveis fosseis em massa, mas na verdade uma consequência esperada do processo de industrialização.

Carros à gasolina são máquinas que juntam diversos processos complexos. Ciclos termodinâmicos efetuados pelo motor à gasolina, processos elétrico-mecânicos de troca de marcha automática e sistemas de freios ABS, bem como processos hidrodinâmicos na atuação dos freios em si, são alguns dos exemplos da complexidade de processos em um carro à gasolina. Todos estes processos atuam em conjunto em sistemas de controle que exigem o esforço coletivo de grandes equipes de engenharia.

Em contraste, carros elétricos apresentam um range de processos mais restrito, dispensando a necessidade de transmissão e até mesmo de freios hidráulicos em alguns casos. Apesar de apresentarem um range de processos mais restrito, os carros elétricos apresentam seus próprios desafios.

Fig. 3 – Ciclos Carro à Gasolina vs. Carro Elétrico 

Bateria sobre Rodas

No contexto de carros à gasolina, os processos elétricos são, majoritariamente, restritos a sistemas de sensoriamento e de partida do carro (injeção eletrônica).

No contexto de carros elétricos, contudo, os desafios são amplificados. Apesar de processos elétricos serem utilizados em todas as partes em um carro elétrico, como esperado, de longe o sistema mais complexo e que apresenta os maiores desafios é o armazenamento de energia. Baterias!

Na transição de carros elétricos para carros à gasolina nos anos 1920 o principal motivo pelo qual carros à gasolina se tornaram a escolha dos consumidores foi o contraste entre gasolina e baterias. Como esperado da mão invisível do mercado, o motivo da volta dos carros elétricos aos holofotes é o mesmo. Baterias.

Quando falamos de sistemas móveis como carros, navios, aviões e até mesmo foguetes, a principal preocupação de engenheiros e projetistas é o armazenamento de energia. Quantos quilometros um carro, um avião ou um navio conseguem andar com apenas um tanque cheio? Para responder essa pergunta é necessário determinar a densidade energética de um composto.

Fig. 4 – Densidade energética em sistemas de locomoção 

Compostos químicos como gasolina apresentam uma densidade de aproximadamente 9.500Wh/L, enquanto baterias de chumbo-ácido apresentavam, em suas primeiras versões, densidades de apenas 2Wh/L. Quando colocados em comparação, esses números mostram os motivos pelos quais carros à gasolina foram a opção no início do século XX

Até 1985 baterias de chumbo-ácido eram as únicas comercialmente viáveis apresentando uma densidade de apenas 4Wh/L. Neste ano, foi realizada a descoberta das baterias Li-Íon por pesquisadores da Universidade do Texas (John B. Goodenough, Stanley Whittingham, Rashid Yazami e Koichi Mizushima), com capacidade em um range de 250Wh/L a 600Wh/L.

Tal crescimento em densidade energética, no entanto, vem com uma lista de custos adicionais:

Fig. 5 – Comparação entre baterias 

Primeiramente, com a tecnologia atual (sem contar os experimentos sendo realizados em laboratório), baterias são sistemas que contam com elétrodos sólidos e um composto eletrólito líquido.

Simplificadamente, cátodo e ânodo trocam elétrons entre si por meio do circuito ao qual se conectam, ao mesmo tempo, compostos salinos formados pelos íons dos compostos da bateria migram de um lado ao outro entre os ciclos de carga e descarga da bateria. Esse processo leva à criação de dendritos, pequenas deformações na superfície do cátodo que, em situações extremas, podem entrar em contato com o ânodo. Quando em contato, a corrente elétrica, antes restrita pelo circuito conectado à bateria, agora corre diretamente entre ânodo e cátodo, levando a um curto circuito interno da bateria e à sua irreversível perda de carga. Levando em consideração esse processo, podemos definir o tempo de vida de uma bateria. No começo dos anos 90, baterias de Li-Íon possuíam um tempo de vida de aproximadamente 500 ciclos de carga e descarga, enquanto baterias atuais chegam a alguns milhares de ciclos.

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Fig. 6 – Modelo Baterias (sivVector/Shutterstock.com)
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Fig. 7 – Formação de Dendritos 

Um segundo custo relacionado ao uso de baterias é a segurança. Um outro modo de se conectar ânodo e cátodo é por meio de uma ruptura física da bateria ou pelo desgaste térmico da mesma, levando frequentemente a explosões ou incêndios.

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Fig. 8 – Curto-Circuito de baterias

Ressalvas 

Carros à gasolina conseguem extrair apenas 20% do potencial máximo dos 9.500Wh/L fornecidos pelo combustível, enquanto carros elétricos tem a capacidade de extração de aproximadamente 85% dos 600Wh/L. Apesar de atualmente serem superiores energeticamente, carros à gasolina tem seus dias contados. Diversos estudos sendo realizados em laboratórios ao redor do mundo fazem descobertas quase que diariamente, avançando tecnologias para baterias melhores e mais seguras.

Bibliografia 

  1. https://www.tesla.com 
  1. https://theoldmotor.com/?tag=elwell-parker 
  1. https://als.lbl.gov/als-technique-gives-novel-view-of-lithium-battery-dendrite-growth/ 
  1. https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=14584 
  1. https://www.howtogeek.com/338762/why-do-lithium-ion-batteries-explode/ 

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