Tecnologia quântica e IA: a chave para aplicações seguras de segunda vida para baterias de iões de lítio

É possível reutilizar baterias usadas de veículos eléctricos de forma eficiente e segura? Que obstáculos técnicos e económicos têm de ser ultrapassados? No âmbito do projeto de investigação "QuaLiProM", financiado pelo Ministério Federal Alemão da Educação e Investigação (BMBF), uma equipa interdisciplinar debruçou-se sobre estas questões e estabeleceu como objetivo científico determinar a potência residual e a vida útil das baterias de iões de lítio usadas de uma forma não destrutiva, rápida e segura, de modo a possibilitar uma segunda utilização fiável e economicamente viável.

Quão saudável é uma bateria? Estado da arte e desafios existentes na determinação do estado

As baterias de iões de lítio envelhecem tanto durante o armazenamento como em funcionamento, o que resulta numa perda de capacidade e num aumento da resistência interna, levando a uma diminuição contínua da energia e do desempenho. O estado de saúde de uma bateria é normalmente definido pelo estado de saúde (SoH), que descreve a alteração do estado de uma célula relacionada com a idade em relação ao seu estado original. A determinação do SoH é um fator-chave na avaliação do desempenho e da vida útil das baterias. Podem ser utilizados vários métodos experimentais para determinar o SoH das baterias. As medições electroquímicas, como os testes de capacidade, a espetroscopia de impedância eletroquímica ou os testes de vida útil, podem ser utilizadas, por exemplo, para determinar a capacidade residual disponível ou a resistência interna de células envelhecidas, embora estas tenham pouco valor sem referência aos valores iniciais das células no seu estado novo. Além disso, a caraterização eletroquímica requer o contacto elétrico das células, pelo que não é adequada para diagnósticos rápidos. Além disso, este tipo de teste apenas fornece informações sobre o estado global da célula, não sendo possível identificar claramente os defeitos ou os pontos críticos de carga

Ao contrário dos métodos experimentais anteriormente utilizados para o controlo de qualidade ou para a análise do valor residual das células de iões de lítio, a magnetometria quântica permite determinar o estado de saúde das células de bateria de forma rápida, económica e precisa. No domínio da investigação de baterias, já foi demonstrado que este método pode ser utilizado para determinar com precisão a magnetização dependente do estado de uma célula de bateria. Em particular, foi demonstrado que os defeitos, as impurezas e o estado de carga podem ser detectados através de sensores quânticos. Com base nestes resultados promissores, está a ser utilizado um método de medição de alta velocidade baseado na magnetometria quântica e na inteligência artificial no âmbito do "projeto QuaLiProM", que deverá permitir classificar as células em função do seu estado de saúde em aplicações industriais.

Metodologia inovadora de teste rápido para a determinação exacta do estado das pilhas para utilização industrial

No projeto QuaLiProM, as células de iões de lítio são submetidas a uma degradação forçada através de testes de envelhecimento cíclico para desenvolver a metodologia de teste rápido. A análise dos dados de medição eletroquímica constitui a base de dados inicial para identificar os mecanismos de envelhecimento dominantes. Ao registar e analisar estes dados, podem ser tiradas conclusões precisas sobre o estado e o desempenho restante das células. As células de bateria transferidas para estados de envelhecimento definidos com a ajuda dos testes de envelhecimento são depois analisadas com recurso à magnética quântica. O sensor quântico mede o campo magnético das células com elevada precisão, observando o spin de um defeito especial num diamante, que emite diferentes números de partículas de luz em função do campo magnético. Desta forma, são gerados mapeamentos do campo magnético que fornecem informações valiosas sobre possíveis anomalias nas células da bateria. Este método não destrutivo não requer ciclos de carga e descarga demorados, pelo que é adequado para utilização na produção de células, bem como no processo de reciclagem ou upcycling. A futura transferência da metodologia do nível laboratorial para a escala industrial é um dos principais objectivos do projeto.

Para a análise baseada em IA dos mapeamentos de campos magnéticos, são utilizados métodos inovadores de aprendizagem profunda para identificar caraterísticas, as chamadas caraterísticas saudáveis, que mostram uma clara correlação com o estado de envelhecimento das células. Estas caraterísticas são utilizadas para classificar as células de acordo com o seu estado de saúde, por exemplo, saudável, degradado ou defeituoso. Desta forma, podem ser identificadas as células degradadas, mas ainda funcionais, que já não são adequadas para utilização em veículos eléctricos devido à sua capacidade insuficiente. Através do desenvolvimento de estratégias de reciclagem adequadas e da investigação de novas aplicações de segunda vida em áreas menos exigentes, o projeto visa promover a utilização sustentável e eficiente em termos de recursos das células de bateria e acelerar a sua transferência para a indústria.

Parceiros do projeto

• Industrial Dynamics GmbH (Coordenador)
• Sekels GmbH
• Battery Dynamics GmbH
• Nehlsen AG
• Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Grupo de Tecnologias Quânticas Aplicadas
• Instituto Fraunhofer de Engenharia de Fabrico e Investigação de Materiais Aplicados IFAM