Oxis Energia do design promessas de excepcional densidade energética, facilidade de produção e de segurança

aeronaves elétricas são a raiva, com protótipos em desenvolvimento em todos os tamanhos, desde drones de entrega para aeronaves de passageiros. Mas a tecnologia ainda não decolou, e por uma razão: falta de uma bateria adequada.para uma grande aeronave de passageiros decolar, cruzeiro e aterrar a centenas de quilómetros de distância, seriam necessárias baterias que pesassem milhares de kg—muito pesadas para que o avião pudesse entrar no ar em primeiro lugar. Mesmo para aeronaves relativamente pequenas, como treinadores de dois lugares, o peso das baterias limita a carga útil do avião, restringe seu alcance, e assim restringe onde a aeronave pode voar. Reduzir o peso da bateria seria uma vantagem não só para a aviação, mas para outros veículos elétricos, como carros, caminhões, ônibus e barcos, cujo desempenho também está diretamente ligado à relação energia-peso de suas baterias.

para tais aplicações, a bateria de escolha de hoje é Íon De Lítio. Atingiu a maturidade há anos, com cada nova melhoria incremental menor que a última. Precisamos de uma nova química.

desde 2004 minha empresa, Oxis Energy, em Oxfordshire, Inglaterra, tem trabalhado em um dos principais concorrentes—enxofre de lítio. A nossa tecnologia de baterias é extremamente leve: os nossos modelos mais recentes estão a atingir mais do dobro da densidade de energia típica das baterias de iões de lítio. Enxofre de lítio também é capaz de fornecer os níveis necessários de potência e durabilidade necessária para a aviação, e, mais importante, é seguro o suficiente. Afinal de contas, um avião não aguenta um incêndio súbito ou outra calamidade simplesmente puxando para a berma da estrada.

A nova tecnologia tem vindo a demorar muito tempo, mas a espera já acabou. O primeiro conjunto de testes de voo já foi concluído.fundamentalmente, uma célula lítio-enxofre é composta por quatro componentes:

• o eletrodo positivo, conhecido como cátodo, absorve elétrons durante a descarga. Está ligado a um coletor de corrente de folha de alumínio revestido com uma mistura de carbono e enxofre. Enxofre é o material ativo que participa das reações eletroquímicas. Mas é um isolador elétrico, então o carbono, um condutor, entrega elétrons para onde eles são necessários. Há também uma pequena quantidade de aglutinante adicionado para garantir que o carbono e enxofre se mantenham juntos no cátodo.
• o eletrodo negativo, ou ânodo, libera elétrons durante a descarga. Está ligado a folha de lítio puro. O lítio, também, atua como um coletor de corrente, mas também é um material ativo, participando da reação eletroquímica.um separador poroso impede que os dois eléctrodos se toquem e causem um curto-circuito. O separador é banhado em um eletrólito contendo sais de lítio.um eletrólito facilita a reação eletroquímica permitindo o movimento de íons entre os dois eletrodos.estes componentes estão ligados e embalados em folhas como uma célula da Bolsa. As células são por sua vez conectadas em conjunto—tanto em série como em paralelo—e embaladas em um pacote de bateria de 20 amperes-hora, 2,15 volts. Para um grande veículo, como um avião, dezenas de pacotes são conectados para criar uma bateria capaz de fornecer dezenas ou centenas de amp-horas a várias centenas de volts.as baterias De Lítio-enxofre são incomuns porque passam por vários estágios à medida que descarregam, formando cada vez uma espécie molecular diferente e distinta de lítio e enxofre. Quando as descargas de uma célula, íons de lítio no eletrólito migram para o cátodo, onde se combinam com enxofre e elétrons para formar um polissulfeto, Li2S8. No ânodo, entretanto, moléculas de lítio entregam elétrons para formar íons de lítio carregados positivamente; estes elétrons livres então se movem através do circuito externo—a carga—que os leva de volta para o cátodo. No eletrólito, o recém-produzido Li2S8 imediatamente reage com mais íons de lítio e mais elétrons para formar um novo polissulfeto, Li2S6. O processo continua, percorrendo mais polysulfides, Li2S4 e Li2S2, para eventualmente tornar-se Li2S. A cada passo, mais energia é dada e passada para a carga até a última célula é esgotada de energia.

  recarregar reverte a sequência: uma corrente aplicada força elétrons a fluir na direção oposta, fazendo com que o eletrodo de enxofre, ou cátodo, desista de elétrons, convertendo Li2S para Li2S2. O polissulfeto continua a adicionar átomos de enxofre passo a passo até Li2S8 ser criado no cátodo. E cada vez que elétrons são entregues, íons de lítio são produzidos que então se difunde através do eletrólito, combinando com elétrons no eletrodo de lítio para formar metal de lítio. Quando todos os Li2S foram convertidos para Li2s 8, a célula está totalmente carregada.

  Esta descrição é simplificada. Na realidade, as reações são mais complexas e numerosas, ocorrendo também no eletrólito e no ânodo. De fato, ao longo de muitos ciclos de carga e descarga, são essas reações laterais que causam degradação em uma célula lítio-enxofre. Minimizá-los, através da seleção dos materiais apropriados e configuração celular, é o desafio fundamental, subjacente que deve ser enfrentado para produzir uma célula eficiente com uma longa vida útil.

  um grande desafio para ambas as tecnologias de Íon lítio e lítio-enxofre tem sido a tendência para repetidos ciclos de carga e descarga para degradar o ânodo. In the case of lithium ion, ions arriving at that electrode normally FITT themselves into interstices in the metal, a process called intercalation. Mas, às vezes, os íons planam a superfície, formando um núcleo no qual o revestimento adicional pode se acumular. Ao longo de muitos ciclos, um filamento, ou dendrite, pode crescer até atingir o eletrodo oposto e curto-circuitos da célula, causando uma onda de energia, na forma de calor que danifica irreparavelmente a célula. Se uma célula se quebra assim, ela pode desencadear uma célula vizinha para fazer o mesmo, iniciando um efeito dominó conhecido como uma reação térmica fugitiva—em linguagem comum, um fogo.

  com células de lítio-enxofre, a degradação do ânodo Lítio-metal também é um problema. No entanto, isso ocorre através de um mecanismo muito diferente, que não envolve a formação de dendritos. Em células de lítio-enxofre, densidades de corrente desiguais na superfície do ânodo fazem com que o lítio seja banhado e retirado de forma desigual à medida que a bateria é carregada e descarregada. Ao longo do tempo, este revestimento desigual e decapagem provoca depósitos mosslike no ânodo que reagem com o sulfeto e polissulfetos no eletrólito. Estes depósitos mosslike tornam-se eletricamente desconectados do ânodo grosso, deixando menos da superfície do ânodo disponível para reação química. Eventualmente, à medida que esta degradação progride, o ânodo falha em operar, impedindo a célula de aceitar a carga.o desenvolvimento de soluções para este problema de degradação é crucial para a produção de uma célula que possa funcionar a um nível elevado ao longo de muitos ciclos de descarga de carga. Uma estratégia promissora que temos vindo a seguir em Oxis envolve o revestimento do ânodo Lítio-metal com camadas finas de materiais cerâmicos para evitar a degradação. Esses materiais cerâmicos precisam ter alta condutividade iônica e ser isolantes eletricamente, bem como mecânica e quimicamente robustas. As camadas cerâmicas permitem que íons de lítio passem sem entraves e sejam incorporados no metal de lítio por baixo.

  Estamos a fazer este trabalho, sobre a proteção da camada para o ânodo, em parceria com Pulsedeon e Leitat, e estamos otimistas que vai aumentar drasticamente o número de vezes que uma célula pode ser descarregada e carregada. E não é a nossa única parceria. Também estamos trabalhando com Arkema para melhorar o cátodo, a fim de aumentar a potência e densidade de energia da bateria.

  de fato, a principal vantagem das baterias de íon de lítio sobre seus antecessores-e do enxofre de lítio sobre íon de lítio—é a grande quantidade de energia que as células podem embalar em uma pequena quantidade de massa. A bateria de arranque de chumbo-ácido que bloqueia o motor de combustão interna em um carro pode armazenar cerca de 50 watt-horas por quilograma. Os projetos típicos de iões de lítio podem ser de 100 a 265 Wh / kg, dependendo das outras características de desempenho para as quais foi otimizado, como a potência de pico ou a vida longa. A Oxis desenvolveu recentemente um protótipo de Bolsa de lítio-enxofre que provou ser capaz de 470 Wh / kg, e esperamos chegar a 500 Wh/kg em um ano. E como a tecnologia ainda é nova e tem espaço para melhorias, não é irracional prever 600 Wh/kg até 2025.

  Quando os fabricantes de células citam valores de densidade de energia, eles geralmente especificam a energia que está disponível quando a célula está sendo descarregada em constantes, baixas taxas de energia. Em algumas aplicações, tais taxas baixas são boas, mas para as muitas aeronaves elétricas que irão decolar verticalmente, a energia deve ser fornecida a taxas de potência mais altas. Essa característica de alta potência deve ser trocada por uma menor capacidade total de armazenamento de energia.

  

  além disso, o nível de densidade de energia alcançável em uma única célula pode ser consideravelmente maior do que o possível em uma bateria composta por muitas dessas células. A densidade de energia não se traduz diretamente da célula para a bateria porque as células necessitam de embalagem-o caso, o sistema de gestão da bateria, e as conexões, e talvez sistemas de refrigeração. O peso deve ser mantido sob controle,e por esta razão a nossa empresa está usando materiais compostos avançados para desenvolver caixas leves, fortes, flameproof.

  Se a embalagem for bem feita, a densidade de energia da bateria pode ser mantida a 80% da das células: uma célula nominal de 450 Wh/kg pode ser embalada a mais de 360 Wh/kg na bateria final. Esperamos fazer melhor integrando a bateria no avião, por exemplo, fazendo com que o espaço das asas faça o dobro do trabalho como caixa de bateria. Esperamos que, ao fazê-lo, o número chegue aos 90%.

  para otimizar o desempenho da bateria sem comprometer a segurança, contamos, em primeiro lugar, com um sistema de gestão da bateria (BMS), que é uma combinação de software e hardware que controla e protege a bateria. Ele também inclui algoritmos para medir a energia restante em uma bateria e outros para minimizar a energia desperdiçada durante a carga.como as células de iões de lítio, as células de lítio-enxofre variam ligeiramente umas das outras. Estas diferenças, bem como as diferenças na posição das células no pacote de baterias, podem fazer com que algumas células funcionem consistentemente mais quentes do que outras. Ao longo do tempo, essas altas temperaturas degradam lentamente o desempenho, por isso é importante minimizar as diferenças de energia de célula para célula. Isto é geralmente conseguido usando uma solução de equilíbrio simples, na qual várias resistências são conectadas em paralelo com uma célula, todas controladas por software na BMS.mesmo quando as taxas de carga e descarga são mantidas dentro de limites seguros, qualquer bateria ainda pode gerar calor excessivo. Assim, normalmente, um sistema de gestão térmica dedicado é necessário. Um carro elétrico pode usar o resfriamento líquido, mas na aviação, o resfriamento de ar é muito preferido porque adiciona menos peso. Naturalmente, a bateria pode ser colocada em um ponto onde o ar está naturalmente se movendo através da superfície do avião—talvez a asa. Se necessário, o ar pode ser desviado para a bateria através de condutas. Na Oxis, estamos a usar modelos computacionais para optimizar esse arrefecimento. Por exemplo, quando introduzimos esta técnica num projecto para uma pequena aeronave de asa fixa, ela permitiu-nos conceber um sistema eficaz de gestão térmica, sem o qual a bateria atingiria os seus limites de temperatura antes de ser totalmente descarregada.tal como referido acima, um conjunto de baterias é normalmente organizado com as células em paralelo e em série. No entanto, há mais no arranjo das células. É claro que a bateria é um componente crítico de missão de um e-plano, então você vai querer redundância, para aumentar a segurança. Você poderia, por exemplo, projetar a bateria em duas partes iguais, de modo que, se metade falhar, ela pode ser desconectada, deixando a aeronave com pelo menos energia suficiente para gerenciar uma descida controlada e aterrissagem.

  outro componente de software dentro da BMS é o algoritmo de Estado de carga. Imagine ter que dirigir um carro cujo Medidor de combustível tinha um erro de medição equivalente a 25 por cento da capacidade do tanque. Nunca deixarias o indicador cair para 25%, só para ter a certeza que o carro não iria parar. O seu alcance prático seria de apenas três quartos do alcance real do carro. Para evitar tais resíduos, a Oxis colocou uma grande ênfase no desenvolvimento de algoritmos de Estado de carga.

  numa bateria de iões de lítio pode estimar a carga simplesmente medindo a tensão, que cai como o nível de energia faz. Mas não é assim tão simples para uma bateria de lítio-enxofre. Lembre-se que na bateria de lítio-enxofre, diferentes polissulfetos aparecem no processo eletroquímico em momentos diferentes durante a carga e descarga. O resultado é que a tensão não é um bom proxy para o estado da carga e, para tornar as coisas ainda mais complicadas, a curva da tensão é assimétrica para a carga e para a descarga. Então os algoritmos necessários para manter o controle do Estado de carga são muito mais sofisticados. Nós desenvolvemos o nosso Com a Universidade Cranfield, na Inglaterra, usando técnicas estatísticas, entre elas o filtro Kalman, bem como redes neurais. Podemos estimar o estado de carga para uma precisão de alguns por cento, e estamos trabalhando para fazer ainda melhor.todas estas escolhas de design envolvem compromissos, que são diferentes para diferentes aviões. Nós variamos a forma como gerimos esses compromissos, a fim de adaptar os nossos projetos de bateria para três tipos distintos de aeronaves.

  • pseudo-satélites de alta altitude (HAPS) são aeronaves que voam entre 15.000 e 20.000 metros. A esperança é poder voar por meses de cada vez; o recorde atual é de 26 dias, definido em 2018 pelo Airbus Zephyr S. de dia, essas aeronaves usam painéis solares para alimentar os motores e carregar as baterias; à noite, eles voam com a energia da bateria. Porque o período de carga e descarga de 24 horas exige apenas um pouco de energia, você pode projetar uma bateria leve e, assim, permitir uma grande carga útil. A leveza também torna mais fácil para tal aeronave voar longe do equador, onde a noite dura mais tempo.aeronaves de descolagem e aterragem (eVTOL) estão a ser desenvolvidas como táxis voadores. Lilium, na Alemanha, e Uber Elevate, entre outros, já têm tais projetos em curso. Mais uma vez, o peso é crítico, mas aqui as baterias não só precisam ser leves, mas também devem ser poderosas. Oxis desenvolveu, portanto, duas versões de sua química celular. A versão de alta energia é otimizada em muitos aspectos do projeto celular para minimizar o peso, mas é limitada a potência relativamente baixa; é mais adequado para aplicações HAPS. A versão de alta potência pesa mais, embora ainda significativamente menos do que uma bateria de íon de lítio de desempenho comparável; é bem adequado para aplicações como eVTOL.aeronaves ligeiras de asa fixa: a procura crescente de pilotos está a confrontar-se com o elevado custo da sua formação.; um avião de treinamento todo elétrico reduziria drasticamente os custos de operação. Um fator chave é a maior duração do voo, que é ativado pela bateria mais leve. Bye Aerospace, no Colorado, é uma empresa que lidera o caminho em tais aeronaves. Além disso, outras empresas—como a EasyJet, em parceria com a Wright Electric—estão planejando todos os jatos comerciais de passageiros elétricos para voos de curta distância, de 2 horas.

  três fatores irão determinar se as baterias de lítio-enxofre finalmente têm sucesso ou fracasso. Em primeiro lugar, a integração bem sucedida das baterias em vários tipos de aeronaves, para provar o princípio. O segundo é o refinamento contínuo da química celular. Em terceiro lugar, a redução contínua do custo unitário. Uma vantagem aqui é que o enxofre é tão barato como materiais, de modo que não há motivo para esperança de que, com volume de produção, o custo unitário vai cair abaixo do que a bateria de iões de design, como seria necessário para o sucesso comercial.

  Oxis já produziu dezenas de milhares de células, e está atualmente ampliando dois novos projetos. Neste momento, está a estabelecer uma fábrica para a produção do electrólito e do material activo do cátodo em Port Talbot, País de Gales. Mais tarde, a produção em massa real de células lítio-enxofre começará em um local que pertence à Mercedes-Benz Brasil, em Minas Gerais, Brasil.esta usina de última geração deve estar em funcionamento até 2023. Se as economias de escala provarem, e se a demanda por aeronaves elétricas aumentar como esperamos, então as baterias de lítio-enxofre poderiam começar a suplantar baterias de lítio-íon neste campo. E o que funciona no ar também deve funcionar no chão.este artigo aparece na edição impressa de agosto de 2020 como ” baterias ultraleves para aviões elétricos.”

  sobre o autor

  Mark Crittenden é o chefe do desenvolvimento da bateria e integração na Oxis Energy, em Oxfordshire, Reino Unido