Opinião: Baterias, o elemento chave da eletrificação do automóvel

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POR RICARDO SOUSA, ENGENHEIRO MECÂNICO. É COLABORADOR REGULAR DA FLEET MAGAZINE

As imposições europeias aos construtores para diminuir emissões está a forçar cada vez mais a eletrificação dos motores térmicos (hibridização) e a necessidade de desenvolver mais carros 100% elétricos.

As regras ambientais cada vez mais apertadas ao longo da próxima década vão fazer crescer a procura por baterias, originando, de um lado, uma pressão de preços, do outro, criando mais desafios à indústria, dos processos produtivos à investigacão e ao desenvolvimento da utilização dos materiais utilizados para a produção das suas células.

Vou sintetizar cinco pontos fundamentais que considero essenciais para perceber a importância de todo o processo evolutivo da eletrificação automóvel:

1. Comparação de custos entre uma mecânica elétrica e uma mecânica de combustão interna

Segundo o ‘benchmarking’ atual da indústria, o conjunto mecânico de um veículo ‘convencional’ de motorização térmica (gasolina ou gasóleo) assume, aproximadamente, 16% do custo total do veículo.

Em comparação, o conjunto mecânico de um veiculo elétrico (incluindo motor elétrico, eletrónica de potência e bateria) representa, pelo menos, 50% do custo de um carro elétrico. Só a bateria, incluindo todo o sistema da sua gestão, é o componente com custo mais elevado, cerca de 35% do montante total do veículo.

Daí um imperativo claro: reduzir o custo do ‘pack’ da bateria é fundamental para reduzir o custo dos veículos eletrificados. ‘Pack’ esse, que é constituido por vários módulos, cada um, em geral, composto por seis a doze células que, por sua vez, são o componente de maior custo, aproximadamente 70% do total da bateria.

2. Baterias. Como são construídas. Materiais usados e tecnologias predominantes

Há diferentes tipos de bateria. Os conjuntos de iões de lítio abrangem uma família de baterias que empregam várias combinações de materiais para o anodo e para o cátodo. Cada combinação tem vantagens e desvantagens distintas em termos de segurança, desempenho (eficiência), custo e outros parâmetros, como o aquecimento.

As baterias dos actuais VE são constituídas por células de NCM (Níquel, Cobalto e Manganês) e eletrólito de iões lítio. Empregam tipicamente uma proporção de 60% de Níquel, 20% de Cobalto e 20% de Manganês (6:2: 2), mas essa proporção tem progredido para 8:1:1 em 2018, por razões de custo; é que o preço do cobalto não pára de subir (114% em 2017), sendo cerca de cinco vezes mais caro do que o Níquel.

Compreensivelmente, nenhum fabricante quer ficar exposto ao risco de derrapagem de preços deste elemento.

3. Processo de produção. Como os custos exigem evolução da tecnologia

Facilmente se percebe porque é que as baterias são não apenas o componente chave da evolução de um veículo elétrico, como a sua volumetria e exigências de uso, nomeadamente condições de refrigeração, condicionam o desenho e concepção do veículo.

No entanto, atualmente, a maioria dos grandes construtores automóveis ainda tende a terceirizar a produção de células para produtores de baterias (ver caixa). Mas os fabricantes de automóveis realizam a montagem do módulo e do pack de baterias internamente e vão continuar a fazê-lo, uma vez que isso é essencial para determinar a autonomia e o carregamento de um EV.

Numa visão rápida aos custos decompostos de produção de um pack de baterias, a produção de eletródos é responsável por 39% dos custos relacionados com a produção das células da bateria.

Existem processos semelhantes mas separados de produção de ânodo e de cátodo. A fase de acabamento é responsável por 41% e a etapa de montagem por 20% dos custos de produção de células de bateria.

Sendo o custo da produção de células medido pela razão entre custo de produção e o conteúdo de energia (medido em kWh), existem duas vias para reduzir os encargos de produção das células: aumentar o conteúdo de energia no mesmo volume e peso (isto é, a densidade de energia, evoluindo na precisão de produção e na química de células) e aplicando tecnologias da Indústria para melhorar estruturas e processos.

Estas abordagens podem também ser aplicadas à montagem de módulos e embalagens, deste modo contribuindo para uma redução global do custo total da bateria.

4. Segurança das baterias

A operação das baterias é outro ponto fundamental de todo o processo de eletrificação, requerendo elaborados sistemas de monitoração, controlo, balanceamento e refrigeração da libertação química de energia, redução de fugas térmicas e garantia de uma vida útil razoavelmente longa para as células.

Do ponto de vista técnico, no desenvolvimento tecnológico das baterias de iões de lítio são ponderadas sete questões fundamentais:

a)Segurança da operação de carga/descarga;

b)Vida útil dos componentes (medido em número de ciclos de carga e descarga e idade geral);

c)Energia específica (quanta energia pode armazenar por quilo de peso);

d)Potência específica (quanta potência pode armazenar por quilo de massa);

e)Desempenho (pico de energia a baixas temperaturas, medição de estado de carga e gestão térmica;

f )Custos.

5. Custos totais de utilização (TCO) ainda dependem muito de um ambiente fiscal favorável

O aumento da competividade e poder de atração dos VE tem sido obtido principalmente através do desenvolvimento tecnológico dos materiais utilizados nas células da bateria, conseguindo aumentar a sua eficiência (logo, mais débito de energia) mas também através
de uma redução de custos de fabricação pela utilização de novos componentes e processos de produção ( Indústria 4.0).

Mesmo assim, as politicas governamentais baseadas em incentivos continuam a ser os principais impulsionadores da procura de veículos eletrificados, nomeadamente 100% elétricos.

Para muitas empresas é mesmo o fator mais importante de ponderação na elaboração de um perfil de TCO que sirva para fundamentar uma decisão de compra.

Há que pesar, no entanto, as economias geradas pelos menores custos operacionais em relação à solução gasolina/gasóleo (manutenção, preço da energia, peças de desgaste…), apesar do elevado valor inicial de aquisição.

Um veículo elétrico pode ainda interferir sobre os padrões de condução, contribuindo para a redução de custos de sinistralidade e de coimas.

A acelerada evolução tecnológica das baterias para automóveis não é alheia às pressões que recaem sobre toda a indústria. Afinal, ela é o componente mais importante da eletrificação do automóvel e aquilo que é pedido a quem as desenvolve e constrói é que aumentem a sua capacidade, reduzam a dimensão e, acima de tudo, o seu custo final

Principais fabricantes mundiais de baterias estão na Ásia

De acordo com a Shenzhen-Guangdong Industry Research, a CATL é a maior produtora de baterias de iões de lítio para a mobilidade elétrica com capacidade de 12 GWh. Seguido pela Panasonic e BYD.

A Panasonic do Japão foi a segunda maior com 10 GWh e a BYD ficou em terceiro com 7,2 GWh.

Outra fabricante sediada na China, a OptimumNano Energy Co. Ltd., e a sulcoreana LG Chem estavam na quarta e quinta posição, produzindo 5,5 GWh e 4,5 GWh, respectivamente.

A CATL colabora com a PSA, Hyundai e BMW. Na China, os seus clientes incluem a BAIC Motor, Geely Automobile (proprietária da Volvo e de cerca de 10% do grupo Daimler), Yutong Bus, Zhongtong Bus, Xiamen King Long, SAIC Motor and Foton Motor.

A LG Chem fornece baterias para a General Motors (Chevrolet/Cadillac e Opel, acordo firmado antes da marca rumar para o grupo PSA), grupo Renault, Hyundai, Ford e Volvo.

A Panasonic fornece maioritariamente para a Tesla Motors e a AESC para a Nissan.