Fundamentos das baterias de veículos elétricos: como as células armazenam e liberam energia

A bateria de um veículo elétrico armazena energia quimicamente. O carregamento leva suas células a um estado químico de maior energia. Durante a condução, as células liberam essa energia na forma de eletricidade, que a eletrônica de potência e os motores do veículo convertem em movimento.

Da célula ao pacote de baterias

Uma célula é a menor unidade eletroquímica completa da bateria. Uma única célula de íons de lítio produz apenas alguns volts, por isso um veículo elétrico conecta muitas células para obter a tensão e a energia necessárias.

As células podem ser agrupadas em módulos e depois em um pacote, ou integradas diretamente ao pacote sem módulos convencionais. O pacote reúne as células e os equipamentos necessários para conectá-las, protegê-las e gerenciá-las. O capítulo Pacote de baterias e configuração aborda as conexões elétricas e a construção do pacote; Formatos de células explica as células cilíndricas, prismáticas e do tipo bolsa.

O que existe dentro de uma célula?

Em uma célula convencional de íons de lítio, dois eletrodos alojam lítio em seus materiais ativos. O eletrodo negativo geralmente é à base de grafite; o positivo utiliza um composto que contém lítio. Essa combinação ajuda a determinar a tensão da célula e quanta energia ela pode armazenar.

A literatura sobre baterias costuma chamar o eletrodo negativo de ânodo e o positivo de cátodo. Esses nomes descrevem suas funções durante a descarga e normalmente são mantidos ao discutir o carregamento.

Três outros componentes conectam e separam os eletrodos:

• O eletrólito transporta íons entre eles. Os eletrólitos líquidos convencionais contêm um sal de lítio dissolvido em solventes orgânicos.
• O separador é uma membrana porosa que mantém os eletrodos separados, permitindo que os íons atravessem o eletrólito presente nos poros.
• Os coletores de corrente são folhas condutoras que conectam os materiais ativos aos terminais da célula. Normalmente, utiliza-se cobre no lado negativo e alumínio no positivo. Lithium-ion Batteries Technology Strategy Assessment (DOE, 2023)

O capítulo Química e componentes das células compara os materiais dos eletrodos e as diferentes soluções de eletrólito.

Como funcionam o carregamento e a descarga

Durante a descarga, os íons de lítio se deslocam do eletrodo negativo para o positivo através do eletrólito. Os elétrons fluem do eletrodo negativo para o positivo pelo circuito externo, fornecendo energia elétrica ao veículo. O eletrólito conduz íons, mas bloqueia o fluxo de elétrons, que seguem o caminho externo.

O carregamento inverte o processo. Uma fonte de alimentação fornece elétrons ao eletrodo negativo e os retira do positivo. Os íons de lítio retornam ao eletrodo negativo através do eletrólito, aumentando a energia química armazenada na célula. DOE Explains: Batteries

A frenagem regenerativa carrega a bateria com energia recuperada do movimento do veículo: o motor atua como gerador e devolve energia elétrica por meio da eletrônica de potência.

As células de íons de lítio e de íons de sódio compartilham esse princípio de funcionamento. A ilustração mostra íons de lítio (Li⁺) e de sódio (Na⁺) se movendo entre os eletrodos. As células de íons de sódio utilizam materiais adaptados às diferentes propriedades do sódio. Anúncio da primeira geração de baterias de íons de sódio (CATL, 2021)

Tensão, corrente, potência e energia

As especificações de uma bateria utilizam várias grandezas que respondem a perguntas diferentes:

• A tensão, medida em volts (V), é a diferença de potencial elétrico entre dois pontos.
• A corrente, medida em amperes (A), é a quantidade de carga elétrica que flui por unidade de tempo.
• A capacidade de carga elétrica, medida em amperes-hora (Ah), é a quantidade de carga que uma célula ou bateria pode fornecer em condições especificadas.
• A potência, medida em quilowatts (kW), expressa a rapidez com que a energia é fornecida ou recebida.
• A energia, medida em quilowatts-hora (kWh), é a quantidade fornecida, recebida ou armazenada.

Nos terminais de corrente contínua da bateria:

Potência (kW) = Tensão (V) × Corrente (A) ÷ 1.000

Por exemplo, uma bateria que fornece uma potência constante de 20 kW durante meia hora entrega:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Essa é a energia entregue nos terminais da bateria. A energia que chega às rodas é menor, porque a eletrônica de potência e o motor também apresentam perdas. Da mesma forma, a energia recebida do carregador supera o aumento da energia armazenada na bateria, pois o carregamento tem perdas.

Um valor aproximado da energia nominal pode ser calculado a partir da capacidade de carga elétrica:

Energia (kWh) ≈ Tensão nominal (V) × Capacidade (Ah) ÷ 1.000

Assim, os Ah, isoladamente, não bastam para comparar a energia de baterias com tensões diferentes. A aproximação utiliza uma tensão representativa; uma medição precisa da energia considera como a tensão varia durante o carregamento ou a descarga.

Estado de carga e limites de operação

O estado de carga (SOC) expressa a carga restante estimada como porcentagem de uma capacidade definida. O SOC é estimado a partir de medições como corrente, tensão e temperatura. State of Charge Estimation Using Smart Battery Charger (Texas Instruments, 2021)

A porcentagem exibida em um veículo elétrico corresponde à faixa de operação acessível ao motorista. Os valores exibidos de 0% e 100% não são os limites eletroquímicos absolutos da célula. O capítulo Reservas da bateria e capacidade utilizável explica a capacidade bruta e líquida (utilizável), além das reservas.

A tensão da célula varia com o SOC, a química, a temperatura e a corrente. A tensão nominal é um valor de referência, não um limite de carregamento. Por exemplo, a Molicel especifica uma tensão nominal de 3,6 V, uma tensão de carregamento de 4,2 V e uma tensão de corte de descarga de 2,5 V para sua célula INR-21700-P42A. Outros projetos de células podem utilizar limites de tensão diferentes. Ficha técnica Molicel INR-21700-P42A, versão 1.7

Os limites superior e inferior de tensão afetam o carregamento e a condução de formas diferentes. Perto da carga completa, a potência de carregamento diminui para manter as células dentro de seus limites superiores de tensão. Com pouca carga, o veículo pode reduzir a potência de propulsão para manter as tensões das células acima dos limites inferiores. O capítulo Carregamento da bateria explica como os limites de carregamento determinam a potência fornecida ao longo de uma sessão.

O sistema de gerenciamento da bateria (BMS) monitora as tensões das células ou dos grupos em paralelo, a corrente da bateria e as temperaturas nos pontos onde estão os sensores. Ele estima o estado da bateria e coordena com o veículo o carregamento e a descarga permitidos para manter as células dentro de seus limites de operação. Manual técnico sobre sistemas de gerenciamento de baterias O capítulo Sistema de gerenciamento da bateria detalha essas funções.

Por que a temperatura e a corrente importam

A resistência interna produz calor quando há passagem de corrente. Com a mesma resistência, dobrar a corrente quadruplica o aquecimento resistivo. O frio pode aumentar a resistência e reduzir a potência disponível. As reações nas células também podem absorver ou liberar calor. Esse efeito reversível depende da química e do estado de carga. Entropy Profiles for Li-Ion Batteries—Effects of Chemistries and Degradation (Wind and Vie, 2025)

Os limites de temperatura podem restringir tanto o carregamento quanto a propulsão. O frio dificulta especialmente o carregamento de células de íons de lítio à base de grafite, porque o lítio pode se depositar na superfície do eletrodo (deposição de lítio) em vez de entrar em sua estrutura. Os sistemas de controle do veículo reduzem a corrente de carregamento e podem aquecer a bateria primeiro.

A frenagem regenerativa pode ser limitada quando a bateria está fria ou cheia, porque ambas as condições restringem a potência que ela pode aceitar. Manual do proprietário do Model 3: Frenagem e parada Os sistemas de aquecimento e resfriamento ajudam a manter condições adequadas, como explicado em Gerenciamento térmico da bateria.

O vídeo abaixo, do The Limiting Factor, ilustra o funcionamento de uma célula de íons de lítio.