O que é o ciclo de vida da bateria? Definição, cálculo, factores e como prolongá-la

À medida que os sistemas de armazenamento de energia, os veículos eléctricos e as tecnologias de iões de lítio se expandem rapidamente em todo o mundo, o ciclo de vida das baterias tornou-se um dos indicadores mais críticos do desempenho das baterias. Quer seja utilizada em produtos electrónicos de consumo, veículos eléctricos ou armazenamento de energia estacionário, o ciclo de vida determina diretamente a vida útil, o valor económico e a fiabilidade a longo prazo de uma bateria.

Compreender o ciclo de vida das baterias ajuda os utilizadores a avaliar as diferentes opções de baterias e permite aos projectistas de sistemas criar soluções mais duradouras, económicas e ecológicas.

Este artigo fornece uma visão geral completa do que é o ciclo de vida da bateria, como é medido, porque é importante, os factores que o afectam e como prolongar a vida da bateria em aplicações reais.

O que é um PCS?

O ciclo de vida da bateria refere-se ao número de ciclos de carga e descarga que uma bateria pode completar sob condições de teste especificadas antes que a sua capacidade ou potência se degrade para uma determinada percentagem do seu valor inicial. O limite padrão da indústria é 80%. Isto significa que o ciclo de vida de uma bateria é considerado completo quando a sua capacidade se degrada de um valor inicial de 100% para 80%.

Para uma bateria com uma capacidade inicial de 1000Ah, o seu ciclo de vida é o número de ciclos que completa antes de a sua capacidade cair para 800Ah.

Um ciclo completo é definido como o processo em que a descarga acumulada atinge 100% da capacidade nominal da bateria, independentemente do número de cargas individuais.

Por exemplo: Se utilizar 60% da capacidade da bateria num dia, recarregá-la totalmente durante a noite e depois utilizar 40% no dia seguinte, a descarga acumulada é de 100% - completando assim um ciclo. Por outras palavras, um ciclo é concluído quando a energia total descarregada é igual a 100% da capacidade da bateria.

Porque é que a duração do ciclo da bateria é importante?

Para os utilizadores que pretendem maximizar o desempenho, minimizar a degradação e prolongar a vida útil, é crucial compreender a importância do ciclo de vida. Na eletrónica de consumo, nos veículos eléctricos ou nos sistemas de armazenamento de energia residenciais e à escala dos serviços públicos, o ciclo de vida determina diretamente a fiabilidade, a economia e a utilização a longo prazo.

Impacta o tempo de vida do produto e a experiência do utilizador

Um ciclo de vida mais longo significa que a bateria pode funcionar de forma fiável durante um período mais longo antes de a sua capacidade se degradar para um nível inutilizável.

• Eletrónica: Proporciona uma vida útil mais estável da bateria e uma vida útil mais longa do produto.
• Sistemas de armazenamento de energia : O ciclo de vida determina a viabilidade económica do projeto.
• VEs: O conjunto de baterias é o componente mais caro. Uma vida útil mais longa melhora a economia global e aumenta a confiança dos consumidores.

Por conseguinte, o ciclo de vida não só afecta a experiência do utilizador, como também determina o valor a longo prazo do dispositivo.

Determina o custo total de propriedade

O ciclo de vida tem um impacto direto no custo de funcionamento a longo prazo.

Por exemplo: Num ESS, se o ciclo de vida da bateria for de apenas 2.000 ciclos, poderá ser necessário substituí-la num ciclo de vida de projeto de 10 anos, o que conduzirá a elevados custos de manutenção.

Se o ciclo de vida atingir 6.000 ciclos ou mais, embora o investimento inicial possa ser mais elevado, o LCOE a longo prazo é mais baixo, oferecendo uma melhor economia.

GODE's 1907 ESS, com uma gestão saudável da temperatura, uma gama controlada do estado de carga (SOC) e taxas C razoáveis, pode atingir um ciclo de vida de mais de 6.000 ciclos. Isto torna-a uma fonte de energia estável para microrredes e aplicações fora da rede, representando um investimento a longo prazo de elevado retorno.

Preocupações ambientais e humanitárias

Um ciclo de vida mais longo significa menos substituições de baterias, menos consumo de matérias-primas, uma menor carga ambiental e um melhor alinhamento com os objectivos globais de sustentabilidade.

As baterias de longa duração contribuem para:

• Redução da frequência de substituição da bateria
• Menor pressão sobre os recursos durante o fabrico
• Diminuição do volume de resíduos a eliminar
• Redução da procura de minerais críticos como o lítio, o níquel e o cobalto

A questão dos recursos de cobalto merece uma atenção especial. A República Democrática do Congo detém mais de 50% das reservas mundiais de cobalto e o cobalto é um material essencial para as baterias eléctricas e a eletrónica. No entanto, os sectores da MAPE implicam frequentemente graves exploração do trabalho infantil.

O prolongamento do ciclo de vida das pilhas não só reduz a dependência de minerais críticos como o cobalto, como também representa uma atitude humanitária responsável no sentido de proteger as crianças e os grupos vulneráveis.

Como calcular o ciclo de vida da bateria

O ciclo de vida da bateria não é simplesmente a soma dos tempos de carregamento; é um método de teste científico baseado em normas autorizadas, procedimentos rigorosos e critérios claros. De acordo com o Manual de Teste de Baterias do U.S. Advanced Battery Consortium (USABC), o processo de cálculo completo envolve os seguintes passos:

Etapa 1: Teste de base inicial

A uma temperatura especificada (normalmente 25°C ou 30°C) e a uma taxa de descarga (por exemplo, C/3), efectue uma descarga padrão numa bateria totalmente carregada para medir a capacidade inicial (C_initial), que serve de referência.

Passo 2: Efetuar o teste de ciclo

Efetuar ciclos repetidos de acordo com o perfil de ensaio definido, por exemplo:

• 100% ou 80% DoD
• Fixo C/3, C/2, etc.
• Ambiente de temperatura constante

A intervalos regulares (por exemplo, a cada 25 ou 50 ciclos), repetir o procedimento de teste de base para medir a capacidade atual (C_corrente).

Passo 3: Registo de dados e determinação de pontos finais

Registar continuamente o desvanecimento da capacidade e calcular a retenção de capacidade:
Retenção de capacidade = (C_actual / C_inicial) × 100%

O ensaio termina quando a Retenção de Capacidade desce pela primeira vez abaixo de 80%.

O número total de ciclos acumulados neste ponto é o ciclo de vida da bateria sob essas condições específicas.

Passo 4: Nota profissional chave

A duração do ciclo depende muito das condições de ensaio.

Diferentes temperaturas, níveis de DoD e taxas C podem levar a variações significativas no ciclo de vida relatado. Por conseguinte, os relatórios profissionais sobre o ciclo de vida devem indicar claramente:

• Temperatura
• DOD
• Taxa C
• Janela de tensão
• Condições ambientais

Por exemplo: “Vida útil do ciclo≥3000 ciclos a 25°C, 80% DoD, taxa de carga/descarga C/3.” Discutir o ciclo de vida sem indicar as condições de teste não faz sentido.

O que afecta a duração do ciclo da bateria?

A duração do ciclo é influenciada por vários factores. Compreendê-los é crucial para a conceção do sistema, seleção da bateria e utilização diária.

Química da bateria

Os diferentes produtos químicos têm, por inerência, tempos de vida diferentes.

• LFP: Estrutura estável, variação mínima de volume, longa duração, muitas vezes superior a 3.000 ciclos.
• NMC: Elevada densidade de energia, mas menor estabilidade estrutural em condições de ciclos profundos, com uma vida útil tipicamente mais curta do que as LFP.
• Chumbo-ácido: Vida útil curta (300-500 ciclos), mais adequada para aplicações de arranque do que para ciclos profundos.

Temperatura

A degradação da capacidade da bateria está intimamente relacionada com a temperatura. A degradação é mínima à temperatura ambiente, mas acelera durante o armazenamento ou utilização a temperaturas elevadas (normalmente acima de 35°C) ou baixas (normalmente abaixo de 5°C).

Um estudo publicado na revista Scientific Reports concluiu que, embora a capacidade máxima de armazenamento aumentasse à medida que a temperatura subia de 25°C para 45°C, começava a diminuir com novos aumentos de temperatura.

Dado que a degradação do desempenho é mais grave a temperaturas elevadas, a exposição prolongada a calor extremo reduz significativamente a vida útil da bateria. Evite a exposição prolongada a altas temperaturas.

Profundidade de descarga

DoD refere-se à percentagem da capacidade total da bateria descarregada num único ciclo. É um dos factores mais controláveis pelo utilizador para prolongar a vida útil.

Carregar frequentemente acima de 90% e descarregar abaixo de 10% pode acelerar a perda de capacidade.

Evite pôr a bateria a funcionar até se desligar antes de a recarregar. É preferível recarregar a bateria regularmente.

Taxa C

A taxa C mede a intensidade da corrente de carga/descarga. Embora a carga/descarga de alta corrente satisfaça a necessidade de um rápido reabastecimento de energia, prejudica visivelmente a vida útil do ciclo.

As correntes elevadas geram mais calor Joule, aumentam a polarização e aceleram o stress mecânico nos materiais activos e a rutura da camada SEI, encurtando a vida útil.

Estado de carga Intervalo

Manter a bateria num estado de carga elevado ou numa tensão elevada durante períodos prolongados também prejudica a sua vida útil.

Para armazenamento a longo prazo, manter o SOC entre 40% e 80%.

Na utilização diária, a definição do limite máximo de carga para 90% ou 80% pode aumentar efetivamente a vida útil do ciclo.

Qualidade de fabrico

O ciclo de vida final de uma bateria depende de processos de fabrico sofisticados e do controlo de qualidade.

Factores como humidade/temperatura extremas na produção, revestimento irregular dos eléctrodos, mau alinhamento no empilhamento/enrolamento e inconsistências entre células individuais têm impacto na duração do ciclo.

A escolha de marcas conceituadas com processos de fabrico avançados é fundamental para obter pilhas de longa duração.

Como prolongar o ciclo de vida da bateria

Na prática, o ciclo de vida de uma bateria não é fixo; varia significativamente com base nos hábitos do utilizador, na temperatura ambiente e nos métodos de carregamento/descarregamento. A boa notícia é que pode prolongar a vida útil da sua bateria com os cuidados adequados. Aqui estão as estratégias mais práticas e acionáveis:

Manter uma gama DoD 40-80%

As descargas profundas impõem uma elevada tensão aos materiais dos eléctrodos, causando danos irreversíveis como a expansão estrutural, a delaminação e as microfissuras.

A utilização da bateria dentro de um intervalo de SOC 40-80% pode aumentar significativamente a sua vida útil.

Para sistemas de armazenamento de energia, é mais comum alternar entre 20% e 80%.

Respeitar a taxa C recomendada pelo fabricante

Diferentes produtos químicos de baterias podem suportar diferentes taxas C. Taxas excessivamente altas podem causar sobreaquecimento, alta polarização e riscos de revestimento de lítio.

O cumprimento das taxas de carga/descarga recomendadas pelo fabricante aumenta significativamente a vida útil. A Industrial ESS utiliza normalmente taxas de 0,25C a 0,5C para prolongar a vida útil.

Utilizar sempre o carregador original ou equipamento certificado.

A investigação da equipa de Paul Gasper, publicada no Journal of Energy Storage, envolveu testes de envelhecimento acelerado de baterias de vários fabricantes, com diferentes produtos químicos (LFP vs. NMC) e concepções. Os resultados confirmaram que o ciclo de vida é altamente sensível a condições de utilização como temperatura, DoD, janela de tensão e taxa C.

A adoção destes hábitos simples, mas essenciais, pode abrandar significativamente a curva de perda de capacidade, mantendo a bateria com uma capacidade útil mais elevada e garantindo uma vida útil prática mais longa.

Conclusão

Num contexto global de aceleração da implantação das energias renováveis, de redução da extração de recursos e de promoção do desenvolvimento sustentável, o prolongamento do ciclo de vida das baterias não só poupa custos, como também reduz a procura de minas, diminui os resíduos e contribui positivamente para causas ambientais e humanitárias.

O domínio dos princípios-chave descritos neste artigo - controlar o DoD, evitar temperaturas elevadas, minimizar o carregamento rápido e manter taxas C razoáveis - pode aumentar significativamente a fiabilidade e a vida útil da bateria, tornando cada quilowatt-hora de energia mais valioso.