Por que as baterias do carro ainda são tão pesadas?

Quando eu era criança, as baterias de carros costumavam ser enormes pedaços pesados ​​de plástico cheios de chumbo e ácido. Eles costumavam pesar quase tanto quanto um telefone celular (leve exagero lá, desculpe).

45 anos depois, as baterias de carros ainda parecem iguais e pesam o mesmo.

Então, nesta era moderna e ênfase na economia de combustível, por que as baterias ainda pesam 40 lb? Por que os avanços tecnológicos não foram capazes de torná-los mais leves e mais eficientes?

Então, agora, depois da resposta da sua pergunta literal à sua pergunta real , que você infelizmente não fez

A tecnologia da bateria mudou até agora nos últimos 100 anos. A bateria inicial de ácido-chumbo tornou-se comum nos carros em 1920, o chumbo é essencialmente veneno e o ácido sulfúrico / chumbo não é menos perigoso. Eles tendem a falhar em temperaturas frias, especialmente se não forem mantidos regularmente, e mesmo sendo obviamente baratos como o inferno de produzir, todo o manuseio deles, incluindo requisitos legais para recuperar baterias velhas, deve ser um pesadelo.

Por que o setor não apenas traçou uma linha e mudou para coisas como LiIon ou boas baterias de NiCd ou NiMH, agora que os carros elétricos mostraram que você pode dirigir com segurança anos com base nelas?

As baterias de NiCd são simplesmente piores em todos os aspectos, exceto na densidade de energia que no ácido chumbo. O NiMH é melhor, mas muito mais caro, e ainda tem uma taxa de descarga mais alta, normalmente (a menos que você os torne ainda mais caros). E ainda é muito difícil de descartar adequadamente.

As baterias de lítio não são tão fáceis de manusear. Você precisa protegê-los contra todos os tipos de falhas, e algumas delas são bastante fatais: não superaqueça sua bateria de lítio. Isso vai explodir. E o calor é um problema sério dentro do compartimento do motor (para ser justo, a bateria não precisa estar lá, mas é bastante útil).

A principal razão é realmente o custo. A bateria do meu último carro, um Fiat Punto de 1999, forneceu no máximo 100 A (quando tentei estimar a corrente de curto-circuito real, em torno de 43 A, mas ainda muito. Digamos P = U · I = 12V · 40A = 480W ), e tinha uma capacidade nominal de cerca de 30 Ah (que é uma energia de 12V · 30Ah = 360Wh). Custou-me 25 €. Então, acho que é mais barato do que 10 € para produzir.

Então, vamos usar um tipo de bateria de lítio que é produzido em massa e, portanto, barato. As células redondas comumente encontradas que compõem muitas baterias de laptops custam cerca de 3 € cada (digamos 1 € em produção) por cerca de 3Ah (11,1Wh), fornecendo até 5A (tops, não faça isso por muito tempo) em algum momento 3.7 V. Isso diz que uma única célula destes pode fornecer 18.5W. Então, para atingir os 480W estimados da minha bateria de carro barata, você precisará de 26 deles. Eles custam 26 € em produção, sem contar os euros gastos em circuitos de controle, carga e proteção, envolvendo-os em algo rígido e seguro, e o fato de que os minerais precisavam produzir alguns dos componentes de metais raros em lítio Atualmente, as baterias não estão ficando mais baratas, e equipar carros em todo o mundo definitivamente acelerará esse mecanismo de mercado.

Vamos assumir escalas de custo com capacidade. Minha bateria de lítio de 26 células possui 26 · 11,1Wh = 288,6Wh de energia. Portanto, precisamos escalar isso em 1,25 para alcançar os mesmos 360Wh da bateria de chumbo-ácido.

Essa célula pesa cerca de 90g. Portanto, o peso das células é de 26,8 g = 2,34 kg. Ok, eu não tenho o peso exato da minha bateria de carro barata na minha cabeça, mas digamos que eram 15 kg. Portanto, economizamos peso por um fator de cerca de 6,3, se nossa caixa e os componentes eletrônicos forem leves (eles não são - até onde eu sei, você precisará de uma fonte de alimentação robusta no modo de comutador para poder carregá-los com eficiência usando o gerador do seu carro, e eles consistem principalmente de uma bobina de cobre bastante volumosa e talvez um núcleo de ferrite que também não seja exatamente leve).

Isso leva a um fator de custo de cerca de 3,5 entre o componente A e a alternativa B, com desvantagens de manuseio, menor confiabilidade e alterações na cadeia de suprimentos. Não é de admirar que a indústria automobilística não esteja avançando nessa direção. (E, a propósito, eles têm um excelente lobby.)

Então, resposta óbvia primeiro:

por que as baterias ainda pesam 20 kg?

Porque ainda são as mesmas baterias de chumbo-ácido. Simples assim. Nenhuma outra tecnologia chegou perto do baixo custo por ampère (e ampère-hora) desses, próximo à confiabilidade e à facilidade de manuseio. 20 kg não é tão pesado, se você considerar que "economia de combustível" ainda significa que seu carro novo médio carrega dezenas de quilos de funcionalidade "conforto" e pesa cerca de 1 mg apenas para as peças de metal.

45 anos depois, as baterias de carros ainda parecem iguais e pesam o mesmo.

45? Mais como 120 anos ... mas sim. Ainda construímos pontes em aço, nosso concreto melhorou, mas ainda é essencialmente concreto, usamos asfalto para estradas, o cobre ainda é nosso condutor favorito, a tecnologia de amplificador mais comumente encontrada em tudo o que não é basicamente de baixa frequência. um amplificador classe A / B baseado em transistor bipolar e nossos refrigeradores ainda não são baseados em meios mais eficientes de transporte de calor, mas na compressão de fluidos mais ou menos perigosos.

As baterias mais recentes são muito mais leves e custam menos durante a vida útil do veículo do que as de outrora. Mas eles não usam química de LA (ácido de chumbo).

Uma bateria LiFePO4 (ferro fosfato de lítio) fará o que for necessário com um custo de vida útil aceitável, MAS com um custo inicial de capital mais alto - o que a torna pouco atraente para os fabricantes de automóveis.

O baixo custo inicial de capital parece ser a principal razão para preferir o chumbo-ácido do que o LiFeO4 e não é óbvio que existem outras boas razões.

A vida útil do ciclo é muito maior que a do ácido chumbo, o que permite que o custo de toda a vida seja menor que o ácido chumbo.

Ao contrário do íon de lítio (íon de lítio), um "pico no coração" não causará os problemas que um íon de lítio possui.

O controle de carregamento é "fácil o suficiente".

Comparado ao ácido-chumbo:

A profundidade de descarga permitida e as taxas máximas aceitáveis ​​de carga são mais altas,

Faixa de temperatura é melhor

A eficiência de recarga é melhor.

O desempenho da descarga automática é melhor.

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Íon / lítio:

Vale a pena comentar sobre as baterias de íon de lítio, pois elas costumam ter uma "má impressão" com relação à segurança.

Comparado ao chumbo-ácido, a química LiIon oferece densidades de massa e energia substancialmente melhores (mais leves e menores), ciclo de vida um pouco mais longo, custo de capital mais alto e provavelmente um custo de vida útil um pouco superior. Gerenciado adequadamente, o controle de cobrança é mais fácil. As faixas de temperatura são melhores, a eficiência de carga / descarga é um pouco superior. Desvantagens relacionadas à segurança não são um problema - veja abaixo.

Em muitas aplicações, as baterias LiIon são a bateria preferida - dos Dreamliners aos telefones Samsung aos "Hoverboards", Mars Rovers aos laptops e smartphones, aos MP3 players e muito mais. As três primeiras aplicações acima foram selecionadas por suas falhas espetaculares conhecidas. Mas qualquer coisa usada em um Mars Rover é escolhida por sua adequação a uma vida longa e ambiente hostil, não deve falhar na tarefa. E existem centenas de milhões de baterias LiIon no uso diário nos bolsos, casas, carros e muito mais.

Dadas as maneiras pelas quais as baterias de íon de lítio podem falhar, os números que realmente falham de maneira espetacular são muito raros. As falhas relatadas amplamente são frequentemente devidas a alguma falha sistêmica que afeta um lote ou modelo de bateria que foi produzido e distribuído em grandes quantidades OU volume mais baixo em aplicativos de alto perfil. Nesses casos, uma falha ou falha de projeto ou fabricação causa ou permite falhas cujas conseqüências são exacerbadas pelos comportamentos implacáveis ​​da química da LiIon.

Exemplos são bem divulgados eventos de "ventilação com chama" em alguns laptops da Apple, telefones Samsung, "hoverboards" auto-balanceados e similares. Nos dois primeiros exemplos, geralmente os fabricantes competentes permitiram que uma falha de projeto não fosse corrigida e / ou despercebida ou cortasse os cantos na fabricação, na medida em que as margens de segurança os alcançassem. No caso dos "hoverboards", a causa é desconhecida para mim, mas é tão suscetível de ser de baixa qualidade na fabricação de baixo custo e baixo controle de carga quanto qualquer outra coisa. Em equipamentos de consumo, as falhas de bateria de íon de lítio geralmente resultam de um curto-circuito na célula devido a folgas inadequadas e consequente sensibilidade ao impacto ou atingindo o extremo das variações estatísticas de tolerância de fabricação.

No caso das falhas de bateria do Boeing Dreamliner, eu não vi um relatório final de causa raiz, MAS enquanto ocorreram várias falhas bem divulgadas (e talvez algumas não publicadas) em um volume muito pequeno de produto, as consequências foram surpreendentemente bem contidas .

Um exame detalhado das falhas, modos e conseqüências do LiIon mostra que eles quase nunca são tão violentos quanto sugere o "mito" popular e que, embora a liberação de energia seja substancial, a contenção é relativamente fácil em termos de engenharia. A contenção acrescenta peso, volume e custo e é improvável que seja encontrada em laptops ou dispositivos portáteis / de bolso. É encontrado nos Dreamliners e pode ser facilmente usado em aplicações automotivas de bateria única (ou seja, não EV), mantendo o peso e o volume ainda bem abaixo dos níveis de chumbo-ácido e com um custo extra modesto. Nas aplicações em veículos elétricos, os problemas parecem ter sido resolvidos ou acomodados "suficientemente bem". Tenho ni experiência nas áreas de regulamentação de segurança vehiclar, mas estou confiante de que as regulamentações que nos trazem imagens espetaculares e permitem a criação de combustíveis de petróleo de alta volatilidade em veículos de passageiros também abordam os problemas de segurança em torno das fontes de energia da LiIon. Eu não ouvi falar de um carro 'Tesla' sendo imolado por falha da bateria - embora possa ter acontecido - e imagino que Musk e companhia acreditem que eles têm essa área de risco "adequadamente na mão".

Nunca, de certa forma, para minha decepção, assisti a um evento de ventilação com chamas e não conheço pessoalmente quem o tenha. Ocorrências são comuns o suficiente para tornar as notícias da Nova Zelândia ocasionalmente (a população da Nova Zelândia é inferior a 5 milhões).

LiIon versus LiFePO4:

Comparado ao LiFePO4, a química do LiIon oferece densidades de massa e energia um pouco melhores (um pouco mais leves e menores), ciclo de vida substancialmente MAIS BAIXO , custo de capital ligeiramente mais baixo (por capacidade de energia) e custo de vida útil substancialmente inferior. O controle de carregamento é praticamente o mesmo, mas o LiFePO4 é significativamente mais difícil de danificar em casos marginais. As faixas de temperatura não são tão boas, a eficiência de carga / descarga é praticamente a mesma. O LiFePO4 está muito menos sujeito a problemas de segurança.

Nas áreas onde o menor tamanho e peso e o menor custo de capital são importantes (com o uso de veículos elétricos como um bom exemplo), o LiIon é superior ao LiFePO4.

Em quase todas as outras áreas e aplicações, o LiFePO4 é melhor ou muito melhor que o LiIon e eu os consideraria a tecnologia de bateria atual preferida para alta energia, longa vida útil e armazenamento de energia com alta contagem de ciclos.

As baterias de partida de lítio existem , principalmente para corridas ou outras aplicações de desempenho ou luxo, onde a economia de peso ou os direitos de se gabar valem o custo.

Como outros observaram, no entanto, as demandas do aplicativo são bastante extremas e a tecnologia de lítio precisa de muito desenvolvimento e cuidado especiais para poder cumprir de maneira confiável e segura o papel de uma bateria de partida / acessório em um veículo a motor. Os preços são extremamente altos - facilmente dez a vinte vezes o custo de uma bateria de chumbo normal. A maioria das pessoas não quer pagar US $ 1000 pela bateria do carro, por isso não.

A resposta é muito simples: porque não encontramos nada melhor.

Uma bateria de carro precisa manter sua carga por um longo período de tempo, ser capaz de fornecer uma corrente enorme e caber em um espaço pequeno. E ajudaria se não fosse muito caro.

O ácido chumbo ainda é a melhor solução para esses requisitos.

Você pode usar uma química à base de lítio, eles podem suportar a carga e fornecer grandes correntes. Eles também são muito mais caros, sensíveis à temperatura, requerem mais cuidado eletricamente e são mais espetaculares se forem mal manuseados eletricamente ou mecanicamente.
Os custos e a complexidade extras simplesmente não valem os benefícios de uma redução <1% na massa final dos carros.

Vi que você adicionou uma nova pergunta ao final de sua postagem:

Por que os avanços tecnológicos não foram capazes de torná-los mais leves e mais eficientes?

Porque não é assim que a química funciona.

A capacidade em um único tipo de bateria é praticamente definida pela quantidade de íons que você possui - ou seja, no caso de baterias de chumbo-ácido, praticamente a massa de chumbo necessária, além de algumas para manter a estrutura intacta.

Agora, outros tipos de baterias sofrem com a falta de superfície ou com uma mobilidade de íons limitada que limita a capacidade dessas baterias de fornecer uma corrente alta, mas não há muito que você possa fazer para aumentá-las para a bateria de chumbo-ácido - a água é uma excelente transportadora para a bateria. produtos químicos envolvidos e a capacidade atual de fornecimento de uma bateria de chumbo-ácido está praticamente no máximo.

Portanto, é simplesmente uma tecnologia madura. Assim como não melhoramos muito o aço para construção barato nos últimos 80 anos, não há muito o que fazer sobre baterias de chumbo-ácido para melhorá-las sem abandonar o princípio de chumbo-ácido, com todos os problemas que minha segunda resposta explica .

Usar o supercapacitor como bateria de partida é totalmente viável e foi experimentado por entusiastas na prática, veja o exemplo . Além do preço mais alto, alguns exemplos de dificuldades práticas são relatados:

• O Supercap sozinho, ao iniciar o carro com mais facilidade do que a bateria de chumbo, descarrega em cerca de meia hora ouvindo rádio, se não for carregado continuamente.
• A bateria de lítio conectada diretamente + o supercap combo não sofrem o efeito acima, mas acabam danificados quando o utilizam para iniciar um cortador de grama - a bateria Li precisaria de componentes eletrônicos extras para evitar isso.

Principalmente uma razão: preço. Existem alternativas tecnologicamente melhores, como baterias de íon-lítio usadas em carros elétricos, mas elas também são muito mais caras. Essas baterias são absolutamente necessárias em carros elétricos, onde você precisa de uma capacidade enorme sem aumentar muito o peso do veículo (as baterias de chumbo seriam muito pesadas se tivessem que substituir o tanque de combustível como o único suprimento de energia para o carro), mas carros movidos a combustível, o peso de uma única bateria de chumbo clássica usada apenas para dar partida no motor, em comparação com o peso do carro, não é significativo, enquanto a relação preço / capacidade é drasticamente mais baixa. É uma questão de custo / eficiência: são mais baratos, fornecem energia suficiente para as necessidades do carro e seu peso não é relevante.