As baterias de potência servem como fonte de energia para veículos de novas energias (VEs). Um sistema de baterias de potência é geralmente dividido em três níveis: o conjunto de baterias, os módulos e as células.

1. Pacote de baterias

O conjunto de baterias é normalmente composto por módulos de bateria, um sistema de gerenciamento térmico, um Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS), sistemas elétricos e componentes estruturais.

Um módulo de bateria pode ser entendido como um produto intermediário entre as células e o conjunto de baterias, formado pela combinação de células de íon-lítio em configurações em série e em paralelo, com a adição de dispositivos individuais de monitoramento e gerenciamento de células. Sua estrutura deve suportar, fixar e proteger as células.

Seus componentes básicos incluem:

• Controlador do módulo: geralmente chamado de placa escrava do BMS.
• Células de bateria
• Conectores Condutivos
• Moldura de plástico
• Placa fria e tubos de refrigeração
• Placas terminais e fixadores: As placas terminais em ambas as extremidades agrupam as células individuais e exercem uma certa pressão. Elas também são frequentemente projetadas para fixar o módulo na bateria.

O objetivo do projeto modular é facilitar o gerenciamento das células pelo BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria), melhorar a segurança da bateria e facilitar a manutenção e o reparo — algo semelhante a dividir um país em várias províncias para facilitar a governança.

3. Célula
Uma célula consiste principalmente em um eletrodo positivo (cátodo), um eletrodo negativo (ânodo), um separador e um eletrólito. Seu princípio de funcionamento básico baseia-se na migração de íons de lítio entre os eletrodos positivo e negativo para realizar os processos de carga e descarga.

• Processo de carregamento: Requer energia externa (eletricidade da rede elétrica) para armazenar energia elétrica na bateria.
• Processo de descarga: Ocorre espontaneamente, liberando a energia armazenada.

As baterias de íon-lítio para veículos elétricos são classificadas principalmente em três categorias com base em seus sistemas de materiais: óxido de lítio-manganês (LMO), materiais ternários (NCM/NCA) e fosfato de ferro-lítio (LFP).

Segurança, estabilidade e desempenho em baixas temperaturas também são indicadores críticos para a avaliação abrangente do desempenho das baterias de íon-lítio.

• Óxido de lítio e manganês (LMO)

O LMO apresenta desempenho insatisfatório em altas temperaturas, baixa estabilidade de ciclagem e características de armazenamento deficientes. O manganês tende a se dissolver/dissociar em temperaturas elevadas, resultando em uma vida útil curta da bateria e baixa durabilidade em armazenamento.

• Baterias de íon-lítio de material ternário (NCM/NCA)

As baterias ternárias oferecem um desempenho equilibrado em altas e baixas temperaturas, ciclos de carga e descarga, segurança, armazenamento e diversas métricas elétricas. Elas apresentam alta densidade de energia volumétrica, custos de materiais moderados e desempenho estável. Dependendo da proporção de níquel, cobalto e manganês, os sistemas de células ternárias incluem séries como NCM532 e NCM811. O sistema 811 ganhou destaque significativo nos últimos anos. Uma maior proporção de níquel aumenta a densidade de energia da bateria, mas, por outro lado, torna a bateria de alta potência menos estável. Portanto, o projeto de baterias de alta potência é um constante exercício de equilíbrio entre praticidade e segurança.

• Fosfato de ferro-lítio (LFP)

O eletrodo positivo de uma bateria de lítio é construído revestindo o material ativo positivo (como LFP ou NCM) em uma folha de alumínio (o coletor de corrente), enquanto o eletrodo negativo é feito revestindo o material ativo negativo (como grafite ou LTO) em uma folha de cobre (o coletor de corrente).

Geralmente, as baterias recebem o nome de acordo com o material do eletrodo positivo, razão pela qual são comumente chamadas de baterias ternárias ou de fosfato de ferro-lítio. No entanto, as baterias de titanato de lítio (LTO) representam uma exceção, pois o LTO é o material do eletrodo negativo, tornando este um caso único de bateria com o nome derivado do material do eletrodo negativo.

Ao revisar a literatura estrangeira, é comum encontrar autores que se referem ao material do eletrodo positivo como cátodo e ao material do eletrodo negativo como ânodo. Inicialmente, isso pode ser confuso, pois a eletroquímica padrão define o eletrodo onde ocorre a redução como cátodo e o eletrodo onde ocorre a oxidação como ânodo — o que significa que a designação se inverteria conforme a bateria alternasse entre os modos de carga e descarga. Com o tempo, fica claro que essa definição se baseia no estado da bateria sem influência de energia externa; portanto, o cátodo e o ânodo da bateria são determinados especificamente pelos estados de reação durante a descarga.

Análise de degradação da bateria
A degradação da bateria pode ser analisada a partir de duas dimensões principais: degradação do desempenho e degradação da segurança.

1) Degradação do desempenho: Após um certo período de uso, os veículos elétricos apresentam uma redução na autonomia e uma queda no desempenho da aceleração também pode se tornar perceptível. Isso pode ser analisado principalmente por meio da perda de capacidade, aumento da resistência interna (RI) e taxas elevadas de autodescarga.

2) Degradação da segurança: A degradação da segurança é relativamente mais difícil de detectar. A bateria pode já ter sofrido deformação física/mecânica, a probabilidade de um curto-circuito interno (CCI) pode ter aumentado ou pode haver risco de vazamento de eletrólito. Portanto, para compreender completamente o processo de degradação da bateria, as próximas etapas envolvem investigar o que desencadeia a redução da capacidade, quais fatores causam o aumento da resistência interna, como ocorre a deformação da bateria e quais mecanismos levam a curtos-circuitos internos.

Segurança comparativa e tendências de mercado
Em termos de segurança, as baterias de óxido de lítio-manganês (LMO) apresentam desempenho significativamente melhor do que as baterias ternárias. Por exemplo, alguns fabricantes nacionais utilizam atualmente o LMO modificado da Xinzheng (LMA-30) para produzir células individuais de 90 Ah, todas capazes de passar no conjunto completo de testes de segurança do Instituto 201. Em contraste, para materiais ternários, mesmo células individuais de 20 Ah produzidas no mercado nacional podem ter dificuldades em passar no teste de penetração de prego. Essa disparidade é fundamentalmente determinada pela estabilidade estrutural dos materiais; a estrutura cristalina do LMO é inerentemente mais estável do que a dos materiais ternários.

Além disso, os materiais LMO passaram por um período de desenvolvimento mais longo e possuem um nível de maturidade tecnológica muito maior. O LMA-30 mencionado anteriormente utiliza dopagem/modificação com alumínio (Al) para aprimorar o LMO; opções ternárias modificadas semelhantes não podem ser descartadas para lançamentos futuros. Adicionalmente, devido a problemas de compatibilidade com eletrólitos, os materiais ternários são mais propensos à geração de gases (gaseificação) em comparação com o LMO, o que é outro motivo pelo qual a segurança das baterias ternárias é inferior à do LMO.

No entanto, a densidade energética dos materiais ternários é substancialmente maior do que a do LMO. Consequentemente, os produtos de baterias de alta potência mais consolidados atualmente, provenientes do Japão e da Coreia do Sul, utilizam principalmente LMO misturado com uma certa proporção de materiais ternários. Essa abordagem garante a segurança e, simultaneamente, aumenta a densidade energética, representando uma tendência fundamental para o desenvolvimento futuro de baterias de potência para veículos elétricos.

Estruturas Celulares

As células são classificadas em três tipos com base em seu formato estrutural: cilíndricas, em forma de bolsa e prismáticas.

1. Células prismáticas: Devido à facilidade de fabricação e à eficiência em termos de espaço, as células prismáticas são atualmente a principal escolha para veículos elétricos na China.
2. Células cilíndricas: Altamente padronizadas. Os modelos comuns incluem 14650, 14500, 18650 e 21700. Os dois primeiros dígitos representam o diâmetro (mm), o terceiro e o quarto dígitos representam a altura (mm) e "0" indica um formato cilíndrico. A Tesla atualmente utiliza células 18650 e 21700, com as células 4680, de maior tamanho, entrando em produção em massa. Os componentes típicos incluem as placas positiva e negativa, o separador, o eletrólito, a carcaça, a tampa (terminal positivo), a junta e a válvula de segurança.
3. Células tipo pouch: Embaladas em filme de alumínio-plástico, oferecendo alta flexibilidade de design.

4. Sistema de Gerenciamento de Bateria (BMS)
Sistema de gerenciamento de bateria para bateria de íon-lítio É um sistema de controle e monitoramento projetado para gerenciar o desempenho e a segurança da bateria. Ao adquirir e calcular parâmetros críticos como tensão, corrente, temperatura e estado de carga (SOC), o BMS regula os processos de carga e descarga, protege a bateria contra condições operacionais anormais e, consequentemente, melhora o desempenho geral e a vida útil da bateria. Ele serve como um elo vital de comunicação e controle entre a bateria de tração do veículo e o veículo elétrico.

Três funções principais do BMS:

1. Estimativa do Estado de Carga (SOC): Mede a energia restante para fornecer aos motoristas métricas de autonomia precisas e lembretes de carregamento.
2. Gestão térmica: Monitora as temperaturas de funcionamento e ativa os sistemas de refrigeração (ventiladores ou placas de resfriamento) para manter a bateria na sua faixa de temperatura ideal.
3. Balanceamento de baterias: corrige variações de tensão e capacidade causadas por tolerâncias de fabricação ou dissipação de calor desigual, evitando a sobrecarga de células individuais.

A análise de riscos durante o desenvolvimento de um BMS identifica perigos como sobretensão (sobrecarga), subtensão, sobretemperatura e sobrecorrente. A sobrecarga prolongada é particularmente grave, causando danos irreversíveis, deformações ou fugas de corrente. O mecanismo de segurança deve detectar a sobrecarga imediatamente e mitigar falhas pontuais ou latentes.

5. Tendências no desenvolvimento de baterias

5.1 Baterias sem cobalto
As baterias ternárias de lítio requerem cobalto para estabilizar sua estrutura em camadas e melhorar a vida útil. No entanto, os preços do cobalto flutuam drasticamente e mais da metade da oferta global está concentrada na República Democrática do Congo (RDC), tornando a cadeia de suprimentos altamente vulnerável a interrupções geopolíticas e relacionadas à pandemia. Eliminar ou reduzir o uso de cobalto diminui os custos dos veículos e mitiga os riscos na cadeia de suprimentos.

• Vantagens: Os eletrólitos sólidos apresentam uma ampla janela de estabilidade eletroquímica, permitindo o uso de materiais catódicos de alta voltagem e ânodos de lítio metálico de alta capacidade, aumentando consideravelmente a densidade de energia. Sua alta resistência mecânica também bloqueia eficazmente a penetração de dendritos de lítio, prevenindo curtos-circuitos.
• Desafio atual: Impedância interfacial sólido-sólido extremamente alta entre os eletrodos e o eletrólito.

Baterias de lâmina 5.3
Apresentada pela BYD, a bateria Blade utiliza células longas e finas (960 mm de comprimento, 13,5 mm de espessura e 90 mm de altura) que lembram lâminas de helicóptero, empregando um método de empilhamento interno em vez do enrolamento tradicional. Ao utilizar adesivos estruturais para fixar as células entre duas camadas de placas de alumínio, as próprias células atuam como elementos estruturais. Esse design imita painéis de alumínio em formato de colmeia, eliminando completamente os módulos para reduzir o peso, os custos e maximizar o aproveitamento do espaço.

• Desafio: O processo é complexo. Altas taxas de rejeição durante o corte longitudinal, dificuldades em manter a consistência das bordas/rebarbas e requisitos de precisão de alinhamento criam obstáculos exigentes na fabricação. Esta é a principal razão pela qual as baterias empilhadas ainda não alcançaram o domínio universal do mercado em relação às baterias tradicionais de bobina enrolada.

• Rota 1: Completamente livre de módulos (ex.: bateria BYD Blade).
• Rota 2: Integração de pequenos módulos em módulos gigantes (ex.: CATL CTP).

CTC (Célula ao Chassi): A próxima evolução além do CTP. Integra as células da bateria diretamente no chassi do veículo, combinando a tampa da bateria com o assoalho. Os assentos podem ser montados diretamente sobre o conjunto de baterias. O CTC supera as barreiras tradicionais do conjunto de baterias, permitindo uma integração profunda das células, chassi, motor, controle eletrônico e sistemas CC/CC para otimizar o espaço, reduzir o consumo de energia e tornar os custos de produção de veículos elétricos competitivos com os de veículos com motor de combustão interna.

Acey Nova Energia fornece equipamentos de fabricação completos e soluções de engenharia integradas para linhas de montagem de baterias de íon-lítio , abrangendo todo o processo, da célula à embalagem.

Apoiamos os clientes desde o planejamento inicial da fábrica até a produção final, fornecendo serviços abrangentes que incluem otimização do layout da linha, integração de equipamentos, empilhamento de módulos soldagem a laser de precisão, integração do BMS e testes finais de desempenho do pacote.

Nossos sistemas priorizam a praticidade estrutural, a estabilidade operacional e a facilidade de manutenção. Utilizando equipamentos padronizados com configurações flexíveis e modulares, permitimos que os fabricantes minimizem os prazos de preparação, mitiguem os riscos de produção e melhorem significativamente a consistência entre as células e as embalagens.

A ACEY dá as boas-vindas a parceiros globais e espera estabelecer uma cooperação confiável e de longo prazo em projetos de fabricação de baterias.