Quanto tempo dura a bateria de um carro elétrico? As opiniões dos especialistas

Pergunte a qualquer fabricante de veículos elétricos (VE) quanto tempo vai durar a bateria do motor principal e o som mais audível que vai ouvir é o arrastar atrapalhado de pés pelo chão. Ninguém quer responder à pergunta, no entanto é uma informação crucial para os consumidores, para o mercado de VE, para a estratégia de eletrificação dos governos e para o ambiente.

Um entendimento da longevidade de um automóvel é uma parte vital da avaliação do seu valor ao longo da vida. Esse valor afeta o seu preço ou o financiamento do seu custo num contrato de compra e venda para um particular e isso, por sua vez, afeta o mercado automóvel de VE.

Há ainda o impacto no ambiente, devido às grandes quantidades de CO₂ emitidas durante o fabrico de baterias. De acordo com o IVL, o Instituto Sueco de Investigação Ambiental, o CO₂ libertado pela produção de baterias de iões de lítio oscila entre os 61kg e os 106kg por kW/h, dependendo de onde vier a eletricidade utilizada no processo de produção.

O efeito cumulativo de se ter de renovar as baterias dos carros elétricos a cada 10 anos se comparado com, digamos, a cada 15 anos, faz uma enorme diferença no que respeita ao seu impacto ambiental.

Custo dos iões de lítio

Contudo, até agora, a indústria tem-se concentrado sobretudo no custo das células de iões de lítio, que caiu significativamente nos últimos anos. Em 2015, a General Motors sugeriu que os custos desceriam até um montante tão baixo quanto 100 dólares por kW/h ao chegar o ano atual, mas ainda estamos muito longe disso. Em agosto de 2021, Luca de Meo, diretor executivo da Renault, disse que talvez fosse necessária a introdução de uma química de fosfato de iões de lítio menos densa, mas mais barata, daqui a uns anos para fazer descer o preço até esse nível.

Já sobre o tema da vida útil da atual geração das baterias de iões de lítio, ele foi deliberadamente vago, embora tenha revelado que está a planear a remodelação das instalações da fábrica de Flins, no norte de França.

Ver esta publicação no Instagram

Uma publicação partilhada por Renault Portugal Oficial (@renault_portugal)

Fugindo à questão?

Ou então considere-se Tomas Ingenlath, diretor executivo da Polestar, que ficou bastante atrapalhado quando lhe colocaram a mesma pergunta no lançamento da Polestar 2, um supersalão de baterias elétricas.

"É muito difícil dizer que durarão oito anos ou 24", disse ele. "Depende de se o VE for usado de uma forma aceitável e se é carregado lentamente. Toda a gente tem agora uma atitude um pouco mais tranquila quanto à questão das baterias, além de que a tecnologia irá evoluir e mudar ao longo da próxima década."

Não tenho tanta certeza assim de que toda a gente tenha "agora uma atitude um pouco mais tranquila quanto à questão das baterias", sobretudo tendo em conta que ela afeta diretamente o custo de utilização do seu carro, mesmo que só o tenha durante um ou dois anos.

O que De Meo e os seus contemporâneos tendem a fazer é acenar com o velho truque ilusionista de uma segunda vida para as baterias automóveis, todas emparelhadas como ferramentas de manutenção do equilíbrio das redes elétricas (embora tenham de ser tratadas e carregadas muito delicadamente nestas situações) ou até recicladas para recuperar os iões de lítio e cobalto. Raramente são apresentadas aos proprietários de VE quaisquer implicações graves em termos de custos quando são discutidas estas opções.

Contudo, os veículos elétricos são relativamente simples, como poucas peças móveis e podem ser bastante brandos para os seus sistemas de transmissão e travões, por isso as suas estruturas mecânicas poderão durar ainda mais tempo do que a vida média de 13,9 anos de um carro convencional no Reino Unido, por exemplo. Só que, mesmo com 10 anos, o custo de uma substituição de baterias comparativamente com o valor do carro pode torná-la pouco rentável. Em 2019, o CEO da Tesla, Elon Musk, postou no Twitter que a substituição das baterias poderia chegar a custar 7.000 dólares americanos (cerca de 6,2 mil euros à cotação atual), mas muitos especialistas acreditam que possa ser mais do triplo disso e, que, chegada a altura em que sejam necessárias, a tecnologia ou a química poderão ter avançado de modo a tornarem a substituição de uma bateria não apenas economicamente injustificável, como até impossível.

Ver esta publicação no Instagram

Uma publicação partilhada por Tesla (@teslamotors)

Assim, ao mesmo tempo que a UE e o Reino Unido apelam ao "direito às reparações" para que os bens de consumo de alta velocidade limitem o seu efeito no ambiente, estão empenhadas em autorizar a venda de carros elétricos sem dar muita atenção à sua inerente obsolescência precoce – porque não sabem quanto tempo vão durar as suas baterias.

Quanto tempo vai durar a sua bateria? – Parte um

Sabemos o que danifica as baterias, conhecemos alguns dos processos químicos que, com o decurso do tempo, deterioram a capacidade do ânodo e do cátodo armazenarem iões e sabemos que coisas deve evitar fazer e as que deve fazer. Mas poderemos nós prever com precisão a longevidade de uma bateria?

De acordo com Joshua Gordon, diretor de Estratégia na Geotab – uma empresa de gestão de frotas e telemática, que em 2018 adquiriu a FleetCarma, que conta mais de 13 anos de experiência a monitorizar veículos elétricos e hábitos de recarga – isso depende.

No outono de 2020, na conferência da Cenex sobre automóveis com reduzidas emissões de dióxido de carbono, a Geotab tornou públicos os resultados de um estudo que tinha feito sobre a longevidade das baterias de 6.300 clientes de uma frota e consumidores privados com mais de 1,8 milhões de dias de dados. E também revelou a sua calculadora da duração de vida das baterias de uma frota, com base nessa investigação.

A capacidade de uma bateria de iões de lítio de se manter no seu estado de saúde (SoH, na sigla inglesa) como nova é afetada por diversos fatores: tempo; altas e baixas temperaturas; manter uma carga continuamente alta (ou estado de carga, SoC, na sigla inglesa); repetidas cargas com alta corrente; e muitos ciclos de carga de uma bateria.

"Estamos interessados no que está a acontecer na vida real", disse Gordon. "Que tal são as prestações das baterias nas frotas de VE e a que ritmo estão elas a degradar-se?"

Os números da Geotab colocam os dados dos carregamentos a par dos da quilometragem e estes demonstram que, partindo do momento em que é nova, a bateria sofre uma deterioração média de 2,3% ao ano, mas os dígitos param por volta dos cinco anos, onde os gráficos mostram que, à medida que a bateria vai envelhecendo em termos de serviço, a curva que mapeia a degradação começa a descer muito rapidamente.

Gordon afirma que a degradação depende do veículo sob análise. "Se se considerar o Nissan Leaf", diz ele, "temos mais de seis anos de dados, por conseguinte, podem tirar-se conclusões com maior grau de certeza. Porém, com outros veículos, o tempo sob análise foi menor."

"Logo, eu ficava-me por aquilo que sabemos de facto: em média, 2,3% de degradação ao ano, embora isso varie consoante a marca, modelo e ano."

Formas de matar uma bateria

Embora Gordon tenha toda a cautela em não fazer extrapolações dos dados da Geotab, a tentação é irresistível. A Geotab mostra um gráfico com a curva do estado de saúde (SoH) típico de uma bateria em forma de S ao longo de 48 meses. A maioria dos fabricantes automóveis garante que as suas baterias não cairão abaixo dos 70% SoH nos primeiros 7 ou 8 anos ou 150.000 km (93.000 milhas).

Por exemplo, pegando numa bateria com 80 kW/h iniciais, degradando-se à proporção anual de 2,3% sugerida pela Geotab, a sua SoH deteriorar-se-á 67,9 kW/h em 8 anos, o que corresponde a cerca de 85% da sua SoH inicial – se a degradação continuar ao ritmo de 2,3%, levará 15,3 anos a cair abaixo dos 70% da sua capacidade inicial. Mas isto é uma simplificação excessiva: há muitas maneiras de matar uma bateria mais rapidamente.

A Geotab encontrou poucas diferenças entre grandes e pequenas quantidades de uso nos primeiros quatro anos de funcionamento e, de igual modo, reduzidos efeitos de se carregar o carro numa tomada doméstica ou num posto de carregamento (wallbox) instalado em casa. O carregamento rápido com carregadores CC (corrente contínua), no entanto, provoca efeitos consideráveis, com aquelas baterias sujeitas a repetidos a carregamentos CC mais de três vezes por mês a evidenciarem quase o dobro do nível de degradação. "Descobrimos que carregamento rápido com CC é o que produz o maior impacto em termos de degradação ao longo do tempo", diz Gordon.

Ver esta publicação no Instagram

Uma publicação partilhada por Tesla (@teslamotors)

A temperatura também tem efeitos altamente prejudiciais. As baterias gostam de existir em ambientes entre os 21 e os 21,5 ^oC e estudo inicial de Gordon sugeria que os utilizadores de veículos elétricos deveriam evitar usar os seus carros em dias quentes e estacionar à sombra – os seus dígitos também sugerem que as temperaturas extremamente frias ou quentes podem reduzir a extensão da sua vida tanto quanto 50%.

O nível de carga quando não está a ser usada também afeta a vida da bateria e os dados da Geotab sugerem que esta não deve ser carregadas até aos 100%, a não ser que esteja a planear uma longa viagem ou a deixe ficar no seu ponto mais baixo de carga durante longos períodos. Os fabricantes automóveis deixam zonas de proteção, que são níveis de estado de carga para além dos quais o software da bateria não permite aceitar mais, mas mesmo dentro desse limiar, os consumidores podem acelerar a deterioração carregando ou deixando descarregar a bateria ao máximo.

Quanto tempo vai durar a sua bateria? – Parte dois

Os dados da Geotab estão todos muito bem, mas não passam de um retrato instantâneo e a maioria deles não vai além dos cinco anos. Então, o que é que acontece dentro da bateria ao longo desse tempo e em períodos mais longos?

Em busca de respostas fomos ter com David Hall, investigador-adjunto da Faculdade de Química da Universidade de Cambridge. Aqui, ele trabalha na longevidade das baterias e, antes disso, fez parte das célebres equipas laboratoriais do estudo de baterias de Jeff Dahn, na Universidade Dalhousie, em Halifax, no Canadá.

Dahn (que é também um conselheiro técnico da Tesla) e a sua equipa ajudaram a desenvolver a célula automóvel de iões de lítio e alguns dos materiais que criaram são usados nas baterias automóveis hoje em dia, tal como os seus modelos matemáticos e algoritmos que os fabricantes usam para validar os seus dados relativos às baterias.

Então, quanto tempo dura uma bateria automóvel, sr. Hall?

"Essa é uma pergunta muito, muito difícil de responder", admite ele. "Uma das mais difíceis neste campo. É o que o nosso grupo anda a fazer em Halifax, a testar e medir previsões de longevidade e a criar instrumentos mais precisos para a medir."

O cientista explica que há diversas vias para chegar à deterioração de uma bateria, mecânica e química, e que medi-las é difícil.

"Está a aludir a uma coisa chamada ‘quebra por redundância’", diz ele, embora tenha uns quantos outros nomes, tais como "ponto de inflexão" e "de viragem". "Em suma, é certo que a degradação da bateria pode acelerar, mas não é uma coisa trivial prever quando o sequer se tal acontecerá."

Diz ele que a sua principal tarefa tem a ver com o problema do aumento da resistência elétrica na célula – "ou com quão rapidamente os iões de lítio estão a tornar-se mais lentos…

"Como muitas coisas que ocorrem com a degradação", diz ele, "a coisa mais difícil é prever o índice".

Como funciona uma bateria de iões de lítio (e como começa a degradar-se)

Portanto, nós sabemos que as baterias de lítio compreendem cinco componentes principais: cátodo, ânodo, separador, coletores de corrente e eletrólitos. O ânodo e o cátodo armazenam o lítio e o eletrólito é o meio através do qual passam os iões de lítio carregados positivamente.

Quando se carrega uma bateria, o elétrodo positivo (ou cátodo) solta parte dos seus iões de lítio, que passam através do eletrólito e do separador para o elétrodo negativo (ou ânodo). E quando se descarrega a bateria, estes iões de lítio passam do ânodo para o cátodo gerando um fluxo de eletrões através do aparelho (um motor elétrico) que vocês está a alimentar com a bateria. É um processo reversível que irá continuar durante muitos anos, mas quantos exatamente?

Serena Corr, professora catedrática de Materiais Funcionais e professora de Engenharia Química e Biológica na Universidade de Sheffield, Reino Unido, explicou-nos em 2020 que este processo de carga/descarga não ocorre sem produzir consequências na saúde e longevidade da bateria.

"Os materiais que compõem os vossos elétrodos são, tipicamente, estruturas em camadas. Por exemplo, o material do cátodo pode ser lítio-níquel-magnésio-óxido de cobalto (ou NMC na versão curta)", diz ela. "Pode pensar-se neste cátodo como folhas de papel empilhadas, no meio das quais podem encaixar-se os iões de lítio. Como este material é submetido a múltiplos ciclos de carga e descarga, há processo mecânicos e químicos que podem ‘desgastar’ o cátodo e conduzir à sua degradação. Esta pode assumir a forma de uma reorganização dos seus átomos, alterações de volume e até quebra de partículas."

Ocorre também um processo de "revestimento", em que as reações do eletrólito podem levar a uma cobertura permanente de partes do elétrodo, o que pode reduzir a sua capacidade para acomodar os iões e, por conseguinte, a sua aptidão para reter carga. Isto também é afetado pela forma como tratar a bateria.

Hall explica, além do mais, que o cátodo perde oxigénio com o decurso do tempo e isso pode levar a um concentração de gás e à criação de ácidos. "Estes ácidos podem afetar o ânodo mais ainda mais do que afetam o cátodo", diz ele, "o que é conhecido por ‘diafonia’ (‘conversas cruzadas’)".

O papel do cobalto é crucial aqui, numa altura em que os fabricantes automóveis estão a fazer pressões para reduzir o conteúdo de cobalto devido à escassez e aos problemas de direitos humanos na República Democrática do Congo, que é onde a maioria dele é minado. Como Hall diz: "Quando se altera as quantidades relativas de cobalto e níquel, isso afeta o ritmo de produção de oxigénio."

Embora ele esteja relutante em atribuir qualquer número à vida de uma bateria, oferece-nos a "Bateria do Milhão de Milhas" que está delineada num estudo feito por Jessie Harlow et al. no Journal of The Electrochemical Society, vol 166, nº 13. Este propôs a investigadores e empresas uma série de testes de durabilidade e de stress para células de iões de lítio e sugere que o seus objeto de estudo, uma boa bateria de bolsas de células de iões de lítio, teve a capacidade de alimentar um automóvel durante mais de um milhão de milhas [1,6 milhões de km] e "durou pelo menos duas décadas integrada em grelhas de armazenamento de energia.

Não deve confundir-se com a "durabilidade do milhão de milhas" seguida de perto por Elon Musk na contagem decrescente para o Dia da Bateria dos investidores do Tesla, em 2020.

"Células de lítio-óxido de cobalto em dispositivos médicos continuam em grande passados 10 anos", diz Hall. "O mais importante para estender a vida das baterias é o controlo da temperatura e isso é muito mais fácil nas grelhas de armazenamento [do que em carros]."

A Longevidade está cheia de dilemas

"Bem, em parte é a temperatura", corrige Hall, antes de fazer uma pausa, "mas também os designs que toleram carregamentos rápidos e uma elevada autonomia não são a mesma coisa, embora todos nós queiramos uma bateria que faça ambas as coisas. Tudo se resume a saber se se vai melhorar a engenharia da célula ou melhorar a estabilidade dos componentes da célula que já se tem: estão relacionadas, mas independentes."

Então e as tecnologias concorrentes, tais como enxofre de lítio? Hall indigna-se com a palavra "concorrentes". "A maioria das baterias automóveis consistem num processo de encaixar energia numa lata de metal", diz ele. "Pode-se enchê-las de química, mas continua a haver ali folhas de metal e separadores de plástico. Podem fazer-se estes mais finos, mas não podem quebrar. Podem introduzir-se melhorias nos eletrólitos e na porosidade de alguns dos materiais ativos para se obter energia mais elevada. É razoável assumir que iremos continuar a introduzir imensas pequenas melhorias nas células de iões de lítio."

Na verdade, ao contrário de muitos eruditos das baterias, Hall pensa que as células de iões de lítio vão manter-se connosco durante muito mais tempo do que pensávamos.

"A questão muitas vezes resume-se a isto: vamos construir uma bateria melhor ou vamos melhorar a nossa previsão?" diz ele. "Quando vemos as notícias mais recentes nos media, muitas vezes do que se trata é do primeiro e não deste último. Mas não será uma questão da bateria, iremos ver uma data de baterias mais customizadas no futuro."

Presumivelmente, elas irão durar ainda mais tempo do que a atual geração, mas continuamos sem saber quanto tempo será isso.

Quanto tempo vai durar a sua bateria? – Parte três

Passamos a palavra a Maurizio Salvia, engenheiro-chefe da Fiat para a propulsão a baterias elétricas do segmento A. É ele o homem responsável para bateria que alimenta a transmissão do novo VE 500 da Fiat.

Então, quanto tempo vai durar a bateria, Maurizio? Ele pausa (e bem o pode fazer). "Vamos começar pela garantia", diz ele. "A nossa abordagem geral relativa à durabilidade é ter uma longevidade validade para um tempo de calendário de 10 anos." Na verdade, a pequena bateria-celular Samsung do Fiat está garantida para manter pelo menos 70% da sua capacidade energética inicial de 42 kW/h durante oito anos ou 150.000 km (93.225 milhas). "É isto o mais importante para os clientes", diz Salvia. "E, com dados, estamos a confirmar estes valores."

Se parece mesmo que ele mais não está do que a contorcer-se para fugir com o traseiro à seringa, tal é só parcialmente verdade. É porque, como Hall diz, ninguém sabe quanto tempo durará uma bateria individual, mas não porque Salvia e a sua equipa tenha feito tudo e mais alguma coisa para fazer passar a bateria e a levar além das condições da sua garantia, até ao máximo de 1 ano, na verdade.

Então e o cenário do pior cliente do mundo, que usa sempre carregamentos com correntes mais altas e nunca deixa a bateria descansar? Salvia diz que protegerá a bateria do 500 dos piores excessos. A suposição da Fiat baseia-se na disponibilidade do carregamento com alta-corrente, assumindo que o 500 será carregado com corrente de alta voltagem não mais de uma ou duas vezes por semana. "O uso normal está relacionado com este algoritmo para proteger completamente a bateria de carregamentos de alta corrente", diz Salvia.

Mas, depois, chega a parte decisiva. Carreguem-na com alta-corrente demasiadas vezes durante um período fixo de tempo e o sistema vai intervir e restringir o fluxo de corrente para proteger a bateria. Vai ser difícil ser o cliente com o pior caso com este carro.

Conclusão

Até agora, continua a não haver uma resposta definitiva, embora todos os entrevistados nos tenham dado uma melhor compreensão de quão difícil é rever a longevidade das baterias. Talvez Salvia nos tenha dado um espécie de resposta. Tal como a maioria das baterias dos carros novos os dados da Fiat demonstram uma vida útil de mais de uma década, porque um software protetor foi programado para fazer com que tal aconteça. Como um engenheiro sénior (na verdade, o meu irmão) disse: "Ele não te ia dar os números do B10 onde eles estatisticamente calculam o ponto em que 10% da população das baterias irá falhar, mas podes apostar que a Fiat analisou esses números…"

Jochen Eck, diretor principal da Mercedes-Benz do teste de veículos para os automóveis compactos, foi muito claro quando disse que a sua empresa garante a bateria na nova família de SUV EQA durante 8 anos e 100.000 km, que a sua empresa fabrica os seus carros, do ponto de vista da engenharia, para durarem 15 anos ou 186.450 milhas [300.062km] e que a bateria de iões de lítio de 66,6 kW/h (líquidos) não seriam exceção.

O EQA não tem software protetor de carga rápida, mas ele garante que se "teria de tentar com muita perseverança para tentar destruir a bateria através da carga rápida".

O que todas estas respostas indicam, no entanto, é que aqueles que planeiam um grande VE alimentado a baterias elétricas como carro diário para cobrir longas distâncias para os subúrbios e usar regularmente carregamentos com alta-corrente CC pode dar com o seu estilo um pouco estragado, já que (alguns) algoritmos poderão intervir e brandar o fluxo de corrente. Como nós dizemos sempre, levem convosco um lanches e um cantil – poderão passar mais tempo a recarregar do que pensavam.

Entretanto, o conselho é recarreguem devagar, comprem uma bateria maior do que pensavam que precisavam e não usem mais do que 80% da sua capacidade, na maioria das vezes.

Na ausência de dados concretos, enquanto isso, poderá ser útil se a indústria pudesse deitar mãos à obra e chegar a acordo quanto a um documento universal que atestasse o estado-de-saúde-da-bateria, que os compradores de carros em segunda mão pudessem ver para determinar a atual capacidade energética de uma bateria e quantas vezes ela recebeu carga-rápida e com que intervalos ao longo da sua vida.

Talvez pudesse ser uma medida positiva se se criasse uns quaisquer módulos de bateria em dimensões standard de modo a que pudéssemos substituir a bateria se fosse necessário e que isso não fosse horrivelmente caro. Nada disto seria perfeito, mas já seria um início do caminho para melhorar a confiança num futuro completamente elétrico e nos veículos elétricos, novos e velhos.

Andrew English/The Telegraph/Atlântico Press

Tradução: Adelaide Cabral