Noções básicas sobre baterias de veículos elétricos: como as células armazenam e libertam energia

Uma bateria de um veículo elétrico armazena energia sob a forma química. O carregamento coloca as suas células num estado químico de energia mais elevada. Durante a condução, as células libertam essa energia sob a forma de eletricidade, que a eletrónica de potência e os motores do veículo convertem em movimento.

Da célula ao conjunto de baterias

Uma célula é a menor unidade eletroquímica completa da bateria. Uma única célula de iões de lítio produz apenas alguns volts, pelo que um veículo elétrico liga várias células para obter a tensão e a energia de que necessita.

As células podem ser agrupadas em módulos e depois num conjunto, ou integradas diretamente no conjunto sem módulos convencionais. O conjunto reúne as células e os equipamentos necessários para as ligar, proteger e gerir. O capítulo Conjunto de baterias e configuração aborda as ligações elétricas e a construção do conjunto; Formatos de células explica as células cilíndricas, prismáticas e do tipo bolsa.

O que existe dentro de uma célula?

Numa célula convencional de iões de lítio, dois elétrodos alojam lítio nos seus materiais ativos. O elétrodo negativo é normalmente à base de grafite; o positivo utiliza um composto que contém lítio. A sua combinação ajuda a determinar a tensão da célula e a quantidade de energia que pode armazenar.

A literatura sobre baterias chama geralmente ânodo ao elétrodo negativo e cátodo ao positivo. Estes nomes descrevem as suas funções durante a descarga e são normalmente mantidos quando se fala de carregamento.

Três outros componentes ligam e separam os elétrodos:

• O eletrólito transporta iões entre eles. Os eletrólitos líquidos convencionais contêm um sal de lítio dissolvido em solventes orgânicos.
• O separador é uma membrana porosa que mantém os elétrodos afastados, permitindo que os iões atravessem o eletrólito presente nos seus poros.
• Os coletores de corrente são folhas condutoras que ligam os materiais ativos aos terminais da célula. É habitual utilizar 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 elétrodos e as diferentes soluções de eletrólito.

Como funcionam o carregamento e a descarga

Durante a descarga, os iões de lítio deslocam-se do elétrodo negativo para o positivo através do eletrólito. Os eletrões circulam do elétrodo negativo para o positivo pelo circuito externo, fornecendo energia elétrica ao veículo. O eletrólito conduz iões, mas bloqueia a passagem dos eletrões, pelo que estes seguem o percurso externo.

O carregamento inverte o processo. Uma fonte de alimentação fornece eletrões ao elétrodo negativo e retira-os do positivo. Os iões de lítio regressam ao elétrodo negativo através do eletrólito, aumentando a energia química armazenada na célula. DOE Explains: Batteries

A travagem regenerativa carrega a bateria com energia recuperada do movimento do veículo: o motor funciona como gerador e devolve energia elétrica através da eletrónica de potência.

As células de iões de lítio e de iões de sódio partilham este princípio de funcionamento. A ilustração mostra iões de lítio (Li⁺) e de sódio (Na⁺) a deslocarem-se entre os elétrodos. As células de iões de sódio utilizam materiais adaptados às diferentes propriedades do sódio. Anúncio da primeira geração de baterias de iões de sódio (CATL, 2021)

Tensão, corrente, potência e energia

As especificações das baterias 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 circula 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 definidas.
• A potência, medida em quilowatts (kW), indica 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 continuamente 20 kW durante meia hora entrega:

20 kW × 0,5 h = 10 kWh

Esta é a energia entregue nos terminais da bateria. A energia que chega às rodas é inferior, porque a eletrónica de potência e o motor também têm perdas. Da mesma forma, a energia recebida do carregador excede o aumento da energia armazenada na bateria, porque o carregamento tem perdas.

É possível calcular um valor aproximado da energia nominal a partir da capacidade de carga elétrica:

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

Por isso, os Ah, por si só, não bastam para comparar a energia de baterias com tensões diferentes. A aproximação utiliza uma tensão representativa; uma medição precisa da energia tem em conta a variação da tensão durante o carregamento ou a descarga.

Estado de carga e limites de funcionamento

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

A percentagem apresentada num veículo elétrico corresponde à janela de funcionamento acessível ao condutor. Os valores apresentados 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), bem como as 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 na descarga de 2,5 V para a sua célula INR-21700-P42A. Outras conceções 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 de forma diferente o carregamento e a condução. Perto da carga completa, a potência de carregamento diminui para manter as células dentro dos 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 gestão da bateria (BMS) monitoriza as tensões das células ou dos grupos em paralelo, a corrente da bateria e as temperaturas nos locais dos sensores. Estima o estado da bateria e coordena com o veículo o carregamento e a descarga permitidos para manter as células dentro dos seus limites de funcionamento. Manual técnico sobre sistemas de gestão de baterias O capítulo Sistema de gestão da bateria aborda estas funções em maior detalhe.

A importância da temperatura e da corrente

A resistência interna produz calor quando circula corrente. Com a mesma resistência, duplicar 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 libertar calor. Este 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 como a propulsão. O frio dificulta particularmente o carregamento de células de iões de lítio à base de grafite, porque o lítio pode depositar-se na superfície do elétrodo (deposição de lítio) em vez de entrar na sua estrutura. Os sistemas de controlo do veículo reduzem a corrente de carregamento e podem aquecer primeiro a bateria.

A travagem regenerativa pode ser limitada por uma bateria fria ou cheia, porque ambas as condições restringem a potência que a bateria pode aceitar. Manual do proprietário do Model 3: Travagem e paragem Os sistemas de aquecimento e arrefecimento ajudam a manter condições adequadas, conforme explicado em Gestão térmica da bateria.

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