- Ao alterar as condições da primeira carga, a etapa final da fabricação da bateria, a vida útil média aumentou 50%, e o tempo de carga inicial caiu de 10 horas para 20 minutos
- Essa etapa é o processo de formation, que cria uma camada protetora SEI na superfície do ânodo, e tem grande impacto no desempenho posterior de carga/descarga e na velocidade de degradação
- Em uma análise científica com machine learning, temperatura e corrente foram reduzidas às variáveis-chave entre as condições da primeira carga, e a carga com alta corrente elevou a inativação inicial de lítio de cerca de 9% para cerca de 30%
- Uma perda inicial maior de lítio parece prejudicial no curto prazo, mas tem o efeito de criar espaço livre no cátodo, tornando a circulação posterior dos eletrodos mais eficiente
- A prática de fabricação que preferia uma primeira carga com baixa corrente pode ser reavaliada rumo à otimização conjunta da vida útil e da eficiência de fabricação
As condições da primeira carga mudam a vida útil e o tempo de fabricação
- A primeira carga de uma bateria de íon-lítio determina quão estável ela será em operação depois e quantos ciclos de carga/descarga conseguirá suportar antes de se degradar
- Pesquisadores do SLAC-Stanford Battery Center confirmaram, em um estudo publicado na Joule, que a primeira carga de uma bateria nova com uma corrente anormalmente alta resultou em aumento de 50% na vida útil média
- Nas mesmas condições, o tempo de carga inicial caiu das 10 horas convencionais para 20 minutos
- O estudo foi liderado pela equipe SLAC/Stanford e contou com a participação de pesquisadores do Toyota Research Institute(TRI), MIT e University of Washington
A etapa de formation em que a camada protetora SEI é criada
- A equipe criou células pouch, nas quais cátodo e ânodo ficam envolvidos por uma solução eletrolítica, para observar as mudanças que ocorrem nos ciclos iniciais
- Quando a bateria é carregada, os íons de lítio se deslocam para o ânodo para armazenamento; quando é descarregada, retornam ao cátodo, gerando fluxo de elétrons
- O cátodo de uma bateria nova inicialmente está 100% preenchido com lítio e, à medida que os ciclos de carga/descarga se repetem, parte desse lítio é inativada
- Parte da perda inicial de lítio é usada para formar uma camada macia chamada solid electrolyte interphase(SEI) na superfície do ânodo
- A SEI protege o ânodo de reações secundárias
- Reações secundárias podem acelerar a perda de lítio e degradar a bateria mais rapidamente
- A primeira carga é a formation, a etapa final do processo de fabricação; se essa etapa falhar, todo o valor e esforço investidos na bateria até então são desperdiçados
Diferença entre a prática de baixa corrente e o experimento com alta corrente
- Em geral, fabricantes realizam a primeira carga de baterias novas com baixa corrente, usando a abordagem de formar a camada SEI mais robusta possível
- A carga com baixa corrente leva muito tempo, tem alto custo e nem sempre leva ao melhor resultado
- Estudos recentes mostraram que a carga rápida com correntes mais altas pode não degradar o desempenho da bateria, e este estudo analisa mais profundamente o porquê
- Como há dezenas de variáveis envolvidas na formação da SEI durante a primeira carga, é difícil testar todas as combinações em laboratório
Machine learning reduziu temperatura e corrente às variáveis-chave
- A equipe usou machine learning científico para encontrar as variáveis mais importantes para obter bons resultados
- Entre muitas variáveis, temperatura e corrente de carga se mostraram duas com impacto especialmente grande
- A primeira carga com alta corrente teve um efeito claro de aumentar em 50% a vida útil média das baterias testadas
- As condições de alta corrente elevaram a taxa de inativação inicial de lítio de cerca de 9% no método convencional para cerca de 30%, mas essa mudança acabou levando a uma melhoria de desempenho
Como uma grande perda inicial aumenta a eficiência depois
- A abordagem de inativar mais íons de lítio no início é comparada a retirar um pouco de água de um balde cheio antes de transportá-lo
- Assim como criar espaço livre no balde faz a água espirrar menos durante o transporte, inativar mais lítio durante a formação da SEI cria espaço livre no cátodo
- Esse espaço livre ajuda os eletrodos a operar com mais eficiência nos ciclos posteriores e melhora o desempenho subsequente
- Mais do que simplesmente encontrar as condições para produzir uma boa bateria, é preciso entender como essas condições funcionam para facilitar sua aplicação no processo de fabricação
- Esse entendimento é necessário para reajustar o equilíbrio entre desempenho da bateria e eficiência de fabricação
Possibilidade de levar à otimização do processo de fabricação
- A fabricação de baterias é um processo que consome muito capital, energia e tempo, e também leva muito tempo para colocar uma nova linha de produção em operação
- Há muitas variáveis de processo, o que torna difícil encontrar as condições ideais
- Estes resultados apresentam uma abordagem generalizável para entender e otimizar a primeira carga, uma etapa importante da fabricação de baterias
- O TRI mencionou a possibilidade de transferir os aprendizados deste estudo para novos processos, instalações, equipamentos e composições químicas de baterias no futuro
- O estudo recebeu financiamento por meio do programa Accelerated Materials Design and Discovery do Toyota Research Institute
1 comentários
Comentários no Hacker News
Como alguém que trabalhou um pouco no setor, sou meio cético em relação a este estudo. Se isso fosse verdade, estudos ou experimentos anteriores que usaram condições iniciais de carga diferentes teriam mostrado melhor desempenho contra degradação, e certamente já vimos casos assim
Além disso, também é preciso ver o quanto a camada de interface de eletrólito sólido (SEI) aumentada altera a impedância da célula, reduzindo a velocidade de carga posterior e a capacidade utilizável
O que apareceu de forma comum em todas as químicas de íon-lítio e polímero de lítio foi que descarregar profundamente abaixo de 60% reduz os ciclos de carga utilizáveis de 8000 para menos de 2000; descarga em alta corrente ou carregamento rápido acelera a perda de capacidade em cerca de 15% ao ano; e curtos por falhas de dendritos danificam a célula, elevando ao mesmo tempo a resistência interna e a taxa de autodescarga
Se essa técnica funcionar em todas as químicas de células, será um resultado bem surpreendente
https://electrek.co/2023/08/29/tesla-battery-longevity-not-a...
É algo como: “remover mais íons de lítio no início é parecido com tirar um pouco de água de um balde cheio antes de carregá-lo. Com mais espaço vazio, a água espirra menos durante o transporte. Da mesma forma, inativar mais íons de lítio durante a formação da SEI cria espaço livre no eletrodo positivo, permitindo que o eletrodo faça ciclos com mais eficiência e melhorando o desempenho depois”, mas a explicação não parece muito sólida
Se isso também se confirmar na etapa de produção, é uma descoberta realmente ótima. Era uma variável de processo escondida bem diante dos olhos
Textos dizendo que medidas simples podem aumentar muito a vida útil das baterias aparecem com bastante frequência por aí, mas quase nunca são aplicados de fato, exceto em usos muito específicos
Normalmente o caminho é manter a mesma vida útil e aumentar a densidade de energia. Células de íon-lítio de alta tensão (com tensão de fim de carga acima de 4,2 V) são um exemplo: se fossem carregadas só até 4,2 V, durariam muito mais do que os tipos anteriores, mas os fabricantes preferem anunciar 4,3 V, 4,35 V e até 4,4 V, destacando a capacidade extra resultante disso
Em resumo, durante o processo inicial de carga de formação da bateria, parte do lítio é inativada e cria ao redor do eletrodo negativo uma camada protetora macia, a interface de eletrólito sólido (SEI)
Hoje, os fabricantes normalmente fazem uma carga de formação lenta, e nesse processo cerca de 9% do lítio some na SEI. Acreditava-se que isso era necessário para criar uma camada resistente, mas, no estudo, com uma corrente inicial de carga mais alta, 30% virou SEI
Ou seja, para a mesma quantidade de lítio, perde-se um pouco de capacidade da bateria, mas a camada protetora dos eletrodos fica mais espessa, o que explicaria a maior vida útil nos ciclos de carga posteriores
Já revivi uma bateria de lítio descarregada demais, que não carregava, conectando-a por alguns segundos a uma bateria totalmente carregada
Literalmente algo do tipo “arriscar tudo em uma única tentativa”
Se uma boa camada SEI sobre o eletrodo é importante, não daria para aplicar essa camada previamente ao eletrodo antes de montar a bateria? Assim a forma da camada também poderia ficar mais uniforme
Fico confuso sobre o que exatamente significa vida útil da bateria. É perda de capacidade ou falha aleatória?
Se esta descoberta desacelera a perda de capacidade, mas aumenta em 100 vezes a chance de uma bateria de carro elétrico falhar de repente, então não é uma melhoria em termos de custo. Para dispositivos de consumo talvez tudo bem
Se você mantiver carga e descarga na faixa 80/20, a vida da bateria será limitada principalmente pela vida de armazenamento. Por exemplo, se um Nissan Leaf for mantido na faixa de 20% a 80% de carga, provavelmente pode durar 20 anos; mas, se for carregado até 100% toda vez por carga rápida DC, é bem provável que dure só 2000 ciclos, algo em torno de 5 a 7 anos
Fiquei confuso: isso é só uma previsão ou foi verificado experimentalmente?
Lembro de ter visto em um artigo recente um resultado dizendo que, se a corrente for dobrada, mas a carga for feita com uma onda quadrada de frequência de 2 kHz, a degradação da bateria praticamente desaparece
2021: carga pulsada de baixa frequência https://vbn.aau.dk/ws/portalfiles/portal/451327786/C5.pdf
2024: carga pulsada de alta frequência https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202400190
Não estou em condições de ler direito agora, mas é uma área de pesquisa bem interessante
Parece que, assim como eletricidade de alta tensão grava padrões em madeira, ela queima a microestrutura para deixá-la mais estável para a formação de filamentos
Em resumo, a corrente alta faz a camada sobre o eletrodo negativo se formar de maneira um pouco diferente e, naturalmente, mais rápida. Antes se acreditava que uma carga inicial lenta criava uma formação melhor
Isso parece mais uma melhoria incremental por ajuste de processo do que uma descoberta fundamental
Mas, olhando de forma conspiratória, acho que muitos fabricantes de eletrônicos de consumo não gostariam disso. A redução da capacidade da bateria deve ser um fator importante para empurrar o ciclo de troca
Hoje em dia, em geral depois de 2 a 3 anos a degradação da bateria do celular começa a ficar perceptível. O aparelho em si ainda funciona bem, as funções do modelo mais recente nem são tão necessárias, e eu sei que poderia só trocar a bateria, mas às vezes vem o pensamento: “se é para trocar a bateria, melhor comprar um celular novo”
Se a bateria durasse 50% mais, acho que quase ninguém usaria a capacidade reduzida da bateria como desculpa para fazer upgrade