Uma Onça de Prevenção Vale uma Libra de Cura – Como a EIS Está Sendo Usada para Melhorar a Saúde das Baterias em Veículos Elétricos

Os veículos elétricos (EVs) têm ganhado muita tração nos últimos anos, impulsionados pela mudança global em direção à energia limpa e ao transporte sustentável.

Como produzem zero emissões de escapamento, os EVs são significativamente melhores para o meio ambiente do que seus equivalentes a gasolina e diesel. Isso torna os EVs uma tecnologia chave para descarbonizar o transporte rodoviário, que é responsável por cerca de um sexto das emissões globais.

Eles também têm custos de operação e manutenção mais baixos que os veículos de combustão interna, tornando-os muito mais eficientes e acessíveis.

Com isso, a popularidade e a adoção dos EVs estão crescendo significativamente, com quase um em cada cinco carros vendidos em 2023 sendo elétricos. Depois de ultrapassar a marca de 10 milhões em 2020, o número de carros elétricos nas estradas chegou a 40 milhões no ano passado.

Só em 2023, as vendas de carros elétricos foram quase 14 milhões, 95% dos quais na China, Europa e EUA. Como resultado dessa expansão, os EVs agora representam cerca de 20% de todas as vendas de carros novos no mundo, e espera‑se que esse número suba para 50% até 2030.

Não existe apenas um tipo de EV, porém; há vários tipos:

• Veículos Elétricos a Bateria (BEVs)
• Veículos Elétricos Híbridos Plug‑In (PHEVs)
• Veículos Elétricos Híbridos (HEVs)
• Veículos Elétricos a Célula de Combustível (FCEVs)

Entre eles, os EVs alimentados por bateria são os mais comuns, representando 70% do estoque de carros elétricos em 2023.

Os BEVs são totalmente alimentados por eletricidade e podem ser recarregados a partir de fontes externas. Eles são mais eficientes que os veículos híbridos e híbridos plug‑in.

Considerando que as baterias são a fonte de energia dos EVs, elas são o componente mais importante de um veículo elétrico. Ao substituir os motores de combustão interna, os EVs a bateria podem reduzir significativamente a poluição, ajudar a integrar fontes renováveis como vento e solar, e garantir a sustentabilidade.

No caso dos EVs, a condição das baterias determina seu desempenho. E é o tamanho delas, medido em quilowatt‑horas, que indica quanta energia a bateria pode armazenar e quão longe o carro elétrico pode percorrer com uma única carga.

Quanto maior a densidade de energia da bateria, maior será a autonomia por carga. Além disso, o carregamento rápido é essencial para que os proprietários de EVs recarreguem seus veículos rapidamente.

Hoje, os EVs utilizam uma variedade de baterias, incluindo íons de lítio, que é a mais comum. Ácidos de chumbo são uma escolha popular, particularmente nos EUA, devido ao custo‑benefício e longa vida útil, enquanto lítio‑enxofre aumenta a capacidade teórica de carga.

Além da crescente conscientização ambiental e dos incentivos governamentais, os avanços na tecnologia de baterias, em particular, que tornaram os EVs mais eficientes e acessíveis, estão impulsionando a adoção de veículos elétricos.

Portanto, as baterias desempenham um papel crítico nos EVs e na transição mais ampla para energia limpa, o que torna essencial ter uma ideia mais clara de quão bem elas estão funcionando e em que condição se encontram. Para isso, pesquisadores desenvolveram uma nova tecnologia que monitora o estado das baterias com alta precisão para maximizar sua eficiência e estabilidade a longo prazo.

Tecnologia para o Diagnóstico Preciso de Baterias de EVs

Pesquisadores do Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) criaram esta nova tecnologia para diagnóstico preciso do estado das baterias de EVs, essencial para sua gestão eficiente e uso seguro, usando apenas pequenas quantidades de corrente.

Este desenvolvimento foi anunciado na semana passada pelo KAIST, que observou que uma equipe de pesquisadores liderada pelos professores Sang‑Gug Lee e Kyeongha Kwon da Escola de Engenharia Elétrica desenvolveu a tecnologia de espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS).

Esta tecnologia EIS pode ser utilizada para melhorar o desempenho e a estabilidade de baterias de alta capacidade em veículos elétricos.

A espectroscopia de impedância eletroquímica é uma ferramenta poderosa que mede a magnitude da impedância e as variações em uma bateria, permitindo a avaliação da eficiência e das perdas da bateria.

A impedância da bateria é simplesmente uma medida da resistência ao fluxo de corrente dentro da bateria. Essa forma não invasiva de prevenir falhas na bateria identifica sinais iniciais de fraqueza ou deterioração e examina seu desempenho e condição.

Uma ferramenta importante para avaliar o estado de carga e a saúde da bateria, ela também pode analisar mudanças químicas ou físicas, descrever características térmicas, identificar o que está causando falhas e prever a vida útil da bateria.

Entretanto, os equipamentos convencionais de EIS não são apenas caros, mas também complexos, o que dificulta sua instalação, operação e manutenção.

Além disso, há a questão das restrições de precisão e sensibilidade, o que significa que, ao aplicarmos perturbações de corrente de vários amperes a uma bateria, isso pode gerar um estresse elétrico significativo. Isso, por sua vez, aumenta o risco de incêndio ou falha da bateria, tornando seu uso difícil na prática.

Portanto, para enfrentar todos esses problemas, a equipe de engenharia do KAIST criou um sistema EIS de baixa corrente para diagnosticar a condição de baterias de EV altamente eficientes, bem como sua saúde.

Este novo sistema pode medir a impedância da bateria com precisão usando perturbações de baixa corrente, ou seja, 10 mA. Durante o processo de medição, a nova tecnologia EIS minimiza efeitos térmicos e questões de segurança.

Outro benefício deste sistema é que ele reduz a necessidade de componentes volumosos e caros. Assim, pode ser facilmente integrado aos veículos.

O novo sistema EIS demonstrou efetivamente seu sucesso na determinação das propriedades eletroquímicas das baterias de EV sob diferentes condições operacionais. Isso inclui várias temperaturas e níveis de estado de carga (SOC).

A fácil integração do sistema ao sistema de gerenciamento de bateria (BMS) dos EVs, juntamente com sua alta precisão de medição e redução de complexidade e custo em comparação aos métodos convencionais de EIS de alta corrente, o torna realmente benéfico para os EVs.

De acordo com o autor correspondente, Professor Kyeongha Kwon, o sistema também pode contribuir para o diagnóstico de baterias e melhorias de desempenho para sistemas de armazenamento de energia (ESS).

Outros Desenvolvimentos na Condição e Segurança das Baterias de EVs

Dada a importância das baterias, os pesquisadores têm trabalhado em diferentes maneiras de obter uma melhor compreensão de suas condições. Afinal, a capacidade das baterias de EV diminui cerca de 10% em aproximadamente 6,5 anos de operação contínua. Nesse contexto, o sobrecarga e a descarga profunda também contribuem para esse declínio.

No ano passado, uma equipe de pesquisadores da Michigan Engineering criou uma fórmula para diagnosticar e monitorar uma bateria sem desmontá‑la. A fórmula, que também pode ser aplicada a outros dispositivos fotônicos e eletrônicos, funciona para qualquer combinação de materiais de bateria.

Um método que os pesquisadores utilizam para investigar baterias é aplicar uma corrente alternada fraca, semelhante à que vem da tomada, mas muito mais baixa, para sondar a bateria. Nesse processo, a impedância muda dependendo da frequência da corrente alternada ou da rapidez com que ela muda de direção.

Uma medida chave é como a impedância varia com a frequência, obtida ao varrer a frequência de baixa para alta. Para isso, deve‑se estabelecer uma relação entre os materiais da bateria e sua assinatura. A equipe, porém, desenvolveu sua própria fórmula para descrever essa relação. E, uma vez que a impedância é medida em algumas frequências, a fórmula pode prever a impedância como função da frequência para uma ampla gama de frequências.

De acordo com a equipe, a fórmula serve como meio de demonstrar a impedância do material usando apenas alguns pontos de dados experimentais. Ela simplifica todo o processo de modelagem do fluxo de eletricidade através de dispositivos feitos com diversos materiais e não necessita conhecer previamente a microestrutura do material.

Ela pode ainda ajudar a projetar eletrólitos sólidos melhores, identificar as características de impedância de outros componentes das baterias e construir modelos de bateria precisos para proporcionar um controle mais seguro e eficiente durante o carregamento e a descarga.

Na época, a equipe afirmou que planeja usar a fórmula para compreender e, em seguida, projetar eletrólitos de estado sólido com materiais mistos, que podem oferecer maior capacidade e melhor segurança.

Os avanços no design de baterias estruturais, materiais e sistemas de monitoramento continuam, aprimorando as medidas de segurança para prevenir curtos‑circuitos internos e fuga térmica. Para isso, os pesquisadores estão cada vez mais focados no papel dos ânodos à base de silício, particularmente na distribuição de partículas de SiO dentro da camada de ânodo, para alcançar maior densidade de energia enquanto controlam efeitos adversos durante os ciclos, melhorando assim a segurança e a longevidade.

No que diz respeito ao design e montagem de baterias, adesivos também estão surgindo como um componente crítico, oferecendo vantagens como desempenho aprimorado ao otimizar a interface térmica entre as células da bateria e os sistemas de refrigeração, maior flexibilidade de design ao unir diversos materiais, melhor gerenciamento de energia para segurança e economia de custos ao simplificar os processos de fabricação.

Pesquisadores e empresas também estão aproveitando a IA para a descoberta de materiais de bateria e fabricação. Embora a tecnologia de baterias de EV tenha avançado significativamente nos últimos anos, ainda existem vários problemas relacionados a material, design, autonomia e sistemas de gerenciamento de bateria.

O sistema de gerenciamento de bateria (BMS) em um EV visa garantir eficiência, segurança e longevidade ao otimizar o desempenho da bateria. Estimativas tradicionais da bateria quanto à sua saúde e carga para prever a degradação futura não foram precisas, o que levou ao desenvolvimento de algoritmos de aprendizado de máquina (ML) para BMS que analisam dados em tempo real para estimativas precisas do estado de saúde da bateria (SOH) e do estado de carga (SOC). O BMS então usa essas estimativas para otimizar o desempenho da bateria.

O mercado global de formação e teste de baterias de EV é, na verdade, de rápido crescimento, tendo sido avaliado em US$ 1,9 bilhão em 2023. Espera‑se que esse mercado cresça a um CAGR de mais de 17,6% nos próximos oito anos, atingindo US$ 7,8 bilhões até 2032.

Esse crescimento é impulsionado pela crescente adoção de EVs e produção subsequente de baterias, avanços tecnológicos na química de baterias, requisitos de segurança e confiabilidade, e foco crescente em sustentabilidade e redução de emissões de carbono.

Alguns meses atrás, o Departamento de Energia dos EUA (DOE) também anunciou US$ 43 milhões em financiamento para projetos que avançarão a pesquisa, desenvolvimento e implantação em áreas críticas de baterias. O objetivo da iniciativa é impulsionar inovações na fabricação de baterias de EV de baixo custo, reduzir falhas, melhorar a segurança das baterias e fortalecer a cadeia de suprimentos doméstica de materiais de bateria.

Isso está alinhado com o Plano Nacional dos EUA para Descarbonização do Transporte, que visa eliminar todas as emissões do setor de transporte até 2050, avançando as tecnologias de baterias para alimentar EVs seguros e eficientes de emissão zero.

Empresas que Ajudam a Avançar o Gerenciamento de Baterias de EVs

Agora, vamos analisar as empresas que atuam na interseção da tecnologia de saúde de baterias de EV, sistemas BMS e avanços em EIS, todos cruciais para sustentar o mercado de EVs e otimizar a vida útil e a segurança das baterias.

A Tesla de Elon Musk (TSLA ) está entre as mais proeminentes, e está profundamente investida em baterias de alta capacidade e longa vida para EVs. Com as ações da Tesla subindo 4,83% este ano, sua capitalização de mercado está atualmente em US$ 830,7 bilhões.

Em seguida, há a QuantumScape Corporation (QS ) com capitalização de mercado de US$ 3,24 bilhões, que desenvolve baterias de lítio‑metal de estado sólido para EVs, enquanto a Enovix Corporation (ENVX ) com capitalização de US$ 1,9 bilhão está desenvolvendo baterias de íon‑lítio com ânodo de silício avançado. A Albemarle Corporation (ALB ), com capitalização de US$ 11,18 bilhões, é uma produtora líder de lítio e está envolvida na melhoria da eficiência e segurança das baterias. As ações da QS, ALB e ALB caíram 6,47%, 34,14% e 13,14% este ano, respectivamente.

Analog Devices (ADI ) é uma empresa de US$ 114 bilhões cujas ações subiram 15,67% no ano. Enquanto isso, fornece soluções de sistema de gerenciamento de bateria (BMS) para baterias de EV.

Agora, vamos analisar mais a fundo outra empresa relacionada que tem tido um bom desempenho este ano.

General Motors Company

As ações do gigante automotivo, com capitalização de mercado de US$ 59,2 bilhões, têm apresentado uma boa alta este ano. Com pouco mais de dois meses restantes em 2024, o preço da GM subiu 46,77% e está negociando a US$ 52,9. Possui um EPS (TTM) de 9,37 e um índice P/E (TTM) de 5,63, além de um rendimento de dividendos de 0,91%.

A General Motors (GM ) está envolvida no design, construção e venda de carros, caminhões e peças automotivas, além de oferecer serviços habilitados por software. Também está liderando avanços em tecnologia de baterias, segurança e desempenho para sua frota de EVs por meio da plataforma Ultium.

Ultium foi primeiro revelada em 2020, e sua CEO, Mary Barra, a chamou:

“Uma estratégia de EV de múltiplas marcas e múltiplos segmentos com economias de escala que rivalizam com nosso negócio de caminhões de grande porte, com muito menos complexidade e ainda mais flexibilidade.”

Durante uma reunião recente, Barra anunciou que a marca de bateria Ultium está sendo descontinuada, mas afirmou que as vendas de EV melhorarão. A linha de EVs da GM inclui Chevy Equinox e Blazer, GMC Hummer EV, Cadillac Lyriq e Cadillac Celestiq.

Kurt Kelty, GM vice president of the battery cell, however, acknowledged the importance of Ultium in helping it launch the wide range of all-new EV models, noting:

“(A transição da empresa) de um tamanho único para baterias específicas de novos programas.”

A GM agora está considerando várias químicas de bateria para atender melhor às exigências de desempenho.

A empresa automotiva também está planejando construir um centro de prototipagem de baterias em Michigan, que será inaugurado em 2027, podendo reduzir o tempo de desenvolvimento de baterias em até um ano.

Esta semana, a GM relatou seus resultados financeiros do terceiro trimestre de 2024, que revelaram que sua receita no trimestre foi de US$ 49 bilhões, um aumento de 10% em relação ao ano anterior, enquanto o fluxo de caixa livre automotivo ajustado foi de US$ 5,8 bilhões, um aumento de US$ 900 milhões comparado ao ano passado. Nesse período, a GM realizou recompra de ações no valor de US$ 1 bilhão.

A empresa viu sua participação de mercado no varejo nos EUA crescer no terceiro trimestre, enquanto o ambiente operacional na China permaneceu desafiador. Seus custos de garantia também aumentaram devido às pressões inflacionárias.

Quanto aos EVs, a empresa está no caminho para produzir 200.000 EVs na América do Norte este ano. Embora avançando, o negócio de EV da GM ainda trabalha para alcançar a lucratividade e espera uma melhoria de US$ 2 bilhões a US$ 4 bilhões nas perdas de EV.

Conclusão

À medida que as transições para energia limpa aceleram rapidamente, auxiliadas por políticas governamentais, incentivos e estratégias industriais, o mundo migrou para veículos elétricos. O rápido crescimento dos EVs enfatiza o papel essencial das baterias e, como tal, exige alta eficiência e segurança. Tecnologias como a espectroscopia de impedância eletroquímica e sistemas inovadores de gerenciamento de baterias podem ajudar a refinar como monitoramos a saúde das baterias de EV e contribuir para um uso de EVs mais seguro e sustentável.

À medida que mais estudos, empresas e governos se concentram em melhorar o diagnóstico das baterias de EV, veremos baterias de maior durabilidade, designs mais seguros e armazenamento de energia eficiente, todos cruciais para que os EVs alcancem a adoção em massa. Essas inovações podem ainda ajudar a alcançar metas climáticas globais ambiciosas, conduzindo a um futuro mais limpo e sustentável.

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