Baterias tracionárias de lítio: Quais as características, as vantagens e os requisitos de operação?

Esta matéria especial mostra as características destas baterias, bem como os cuidados que requerem nas operações diárias e os carregadores necessários para sua operação. E foca, também, o destino das baterias chumbo-ácidas.

Considerada uma das grandes novidades no segmento de logística, as baterias tracionárias de lítio são alvo dos comentários, dentro e fora das empresas que utilizam empilhadeiras. Mas, há vários fatores a serem considerados.

Por exemplo, Celso Xavier, consultor estratégico de negócios (Fone: 11 4688.2980) e técnico da Hoppecke Baterias, diz que primeiro precisamos deixar claro que existe muita confusão sobre esse assunto.
A expressão “baterias de lítio” não representa um único produto e nem mesmo uma única tecnologia, mas toda uma gama de produtos desenvolvidos a partir de nanotecnologia com várias tecnologias de produção de materiais compostos que permitem a sua existência. A partir de acrônimos como LCO (Lítio-Óxido de Cobalto), LFP (Lítio-Ferro-Fosfato), NMC (Níquel-Magnésio-Cobalto), NCA (Níquel-Cobalto-Alumínio) e LTO (Lítio-Titânio) diferentes tecnologias com diferentes características e cada uma mais sintonizada com uma aplicação distinta, para o público em geral, se fundem na denominação “baterias de lítio”, como se fossem todas elas uma única coisa, mas é preciso conhecer todas as tecnologias comercialmente disponíveis em seus detalhes para a correta e mais eficiente aplicação das mesmas.
As baterias de íons de lítio – continua Xavier – são uma das muitas opções para baterias tracionárias e trazem inúmeros benefícios, como uma vida útil em ciclos de carga e descarga muito mais longa, bem como rapidez na recarga, mas perdem para as tecnologias convencionais em preço. Chegam a custar 5 a 6 vezes mais caro do que as chumbo-ácidas e o dobro das alcalinas de níquel-cádmio. “No caso da Hoppecke, temos baterias tracionárias de LFP e de NMC. Na verdade, cada caso deve ser estudado individualmente para que se encontre a melhor solução”, completa o consultor.
Bruno Verissimo, gerente comercial da JLW Indústria de Aparelhos Eletro Eletrônicos (Fone: 19 3491.6163), destaca que a bateria de lítio representa a inovação no mercado de empilhadeiras devido a alguns benefícios que pode gerar: o fim das trocas de bateria, já que uma única bateria de lítio trabalha três turnos com cargas parciais; não necessita de salas de bateria, o que gera menor custo por metro quadrado; é livre de manutenção; não requer a colocação de água; proporciona maior produtividade e menor consumo de energia durante as recargas.
“Contudo, o cliente deve saber o que comprar, buscando, principalmente, segurança, pois existem diversos tipos de tecnologia em baterias. Visando segurança optamos pelas células da marca Thunder Sky Winston Battery (TSWB), de Lítio-Ítrio-Ferro-Fosfato (LiFeYPO4)”, diz Verissimo.
Também para Edison Refosco, diretor da Globalbat (Fone: 51 3355.2300), as baterias de lítio representam um avanço para empilhadeiras novas e adaptadas para esta nova tecnologia. Para empilhadeiras antigas, que utilizam as baterias de chumbo como contrapeso, são necessárias adaptações na empilhadeira para uso deste novo tipo de baterias. Julio Fiks, diretor técnico da SZ-Laboratório (Fone: 21 2421.9722), também comenta que estas baterias marcam uma nova era no mercado de movimentação de cargas. “Haverá necessidade de reprojeto das máquinas em função da disponibilidade de modelos de baterias já existentes e, certamente, um redimensionamento de frota, pois as autonomias são maiores e a forma de carga também, possibilitando, assim, uma utilização diferenciada”, comenta.
Também convidado a participar desta matéria especial, o Grupo Moura (Fone: 81 3411.1446) se manifestou informando que constituiu uma nova unidade de negócios dedicada a desenvolver comercial, industrial e operacionalmente a atuação da companhia no mercado de baterias de lítio. Especificamente para o segmento de baterias tracionárias para empilhadeiras, informou que o lítio apresenta potencial de inserção, sem que isso implique em perda de mercado para as baterias de chumbo-ácido. São tecnologias coexistentes, cuja aplicação é direcionada pelo perfil de operação de cada cliente.

Vantagens
Sobre as baterias chumbo-ácidas, quais seriam as vantagens das baterias de lítio?
“Em geral, as principais vantagens são o número de ciclos e a vida útil. Quando comparadas com a tecnologia chumbo-ácido ventilada, as baterias de lítio recarregam mais rápido e não necessitam de manutenção – reposição de água desmineralizada. Como desvantagem podemos comentar que dentro da caixa das mesmas é necessário colocar lastro para compensar o fato de serem bem mais leves que as baterias convencionais, que também são o contrapeso da empilhadeira”, explica Roberto E. Wolfenson, diretor de Qualidade, Tecnologia e Meio Ambiente da EnerSystem do Brasil (Fone: 11 2462.7543).
E tem mais: Mariana Kroker, Sales Manager Brazil da Fronius do Brasil Indústria, Comércio e Serviços (Fone: 11 3563.3773), diz que, primeiramente em comparação com as baterias de chumbo não há necessidade de aguardar 8 a 9 horas de carregamento, já que em uma hora e meia se carrega a bateria de lítio e ela já estará disponível para ser usada – e o carregamento de oportunidade é possível a qualquer momento. Além disto, as baterias de íon lítio têm uma vida de util significativamente maior – superior a 5.000 ciclos, contra 1.500 ciclos da chumbo-ácida, lembra Verissimo, da JLW –, conseguem um maior número de ciclos de carga e uma maior profundidade de descarga. Mariana também lembra que elas não produzem gases perigosos durante o carregamento.
Mesmo em termos de eficiência, a tecnologia de lítio está à frente do resto: os operadores da frota podem economizar até 30% do seu consumo de energia, diz Mariana. “Se compararmos os custos operacionais de ambos os sistemas de acionamento em termos de energia, manutenção, inspeção, água, manipulação, mudança de bateria e cobrança de oportunidade, os usuários podem reduzir seus custos em até 50% ao mudar para a tecnologia de iões de lítio. É por isso que todos os grandes fabricantes de empilhadeiras oferecem modelos com uma bateria de lítio. Fabricantes e locadores vão precisar entender muito bem como é a aplicação do cliente, hora-máquina e operação, a fim de entregar a solução de lítio ideal para aquela operação”, completa a Sales Manager Brazil da Fronius.
Outras vantagens são apontadas, ainda, por Verissimo, JLW: pelo maior desempenho energético, uma única unidade pode trabalhar três turnos; maior eficiência na operação; diminuição nos índices de queima de motor e controlador da máquina; e ecologicamente sustentável. Aqui também entram as observações de Fiks, da SZ-Laboratório: as baterias de lítio apresentam maior autonomia por volume, dimensões menores que as das chumbo-ácidas, não utilizam água e apresentam forma de carga mais flexível.
Já a análise de Xavier, da Hoppecke Baterias, aponta as vantagens e desvantagens. As baterias de Li-Ion são, primeiramente, muito mais compactas. A densidade de energia, seja ela volumétrica (por tamanho) ou gravimétrica (por peso), é muito maior, ou seja, as baterias de Li-Ion com as mesmas dimensões físicas ou peso são capazes de acumular muito mais energia do que as de tecnologia convencional. “Essa é, sem sombra de dúvida, a principal razão de terem sido escolhidas pela indústria de telefones celulares e de automóveis elétricos. O mercado de tração está sendo o terceiro grande segmento aplicativo a descobri-las. Além disso, conforme já mencionado, têm um vida útil muito longa.”
Ainda segundo o consultor, elas também são recarregadas com mais rapidez – em uma a duas horas chega-se próximo a 100% de carga, conforme sua construção e o retificador-carregador utilizado. “Aqui, porém, existe um cuidado a ser observado: várias baterias recarregando-se simultaneamente e em um curto espaço de tempo representam um consumo elétrico muito mais alto, portanto, será muito importante ao cliente, antes de embarcar nessa vantagem, analisar se sua rede elétrica está corretamente dimensionada para suportar essa carga, e se esse pico de consumo não levará a empresa a superar o limite máximo de potência instalada em sua unidade, o que levaria a um crescimento representativo de sua fatura de consumo de eletricidade.”
Já com relação às desvantagens, Xavier diz, em primeiro lugar, que esta ainda é uma tecnologia muito onerosa. Foi mencionado que podem custar 5 a 6 vezes mais do que uma bateria equivalente em tecnologia chumbo-ácida. Em decorrência direta dessa limitação, se não utilizarmos o pleno potencial de uma bateria com essa tecnologia, o custo pode não justificar-se.
Além disso – prossegue o consultor –, existe um quesito de segurança que é muito importante: os materiais utilizados na construção dessas baterias são relativamente instáveis e inflamáveis: se não forem controladas eletronicamente para operar dentro de estritas faixas de voltagem, corrente e temperatura ou em caso de acidentes mecânicos ou sobrecargas estão sujeitas a incendiar-se ou até mesmo explodir.

Cuidados especiais
Como se pode perceber, a tecnologia de lítio ainda está em evolução e requer alguns cuidados, visando à segurança. Por exemplo, lembra Wolfenson, da EnerSystem, deve-se respeitar estritamente a temperatura máxima recomendada pelo fabricante da bateria. Outro cuidado é a recarga. “O aquecimento destas baterias sempre deverá ser o ponto de atenção, porém, elas já vêm com um sistema que monitora, controla e informa o usuário”, pondera Mariana, da Fronius.
Xavier, da Hoppecke, vai pelo mesmo caminho: essas baterias são muito sensíveis à temperatura de trabalho e a falhas de origem mecânica, sejam por defeitos construtivos, sejam por acidentes, que possam gerar pontos de aquecimento conduzindo-as a uma reação em cadeia, que se chama “avalanche térmica”. A reação de descarga e recarga de uma bateria é exotérmica, ou seja, gera calor. A “avalanche térmica” consiste em uma situação particular na qual esse calor, ao invés de dissipar-se e perder-se no meio ambiente, por alguma falha acumula-se na própria bateria, aumentando sua temperatura. Havendo continuidade dessa operação, gera-se mais calor, e com isso sobe mais a temperatura, e assim sucessivamente, até que se atinja o ponto de fulgor – que é a temperatura na qual um material começa a incendiar-se espontaneamente – das substâncias catódicas, do eletrólito (que pode ser um composto orgânico inflamável como, por exemplo, o etileno) e dos materiais que compõem o elemento (papelão, tecido, microfibra, etc.).
“Como com o fogo – continua Xavier –, o material catódico, que contém oxigênio, começa a se desmanchar, o oxigênio liberado pela própria bateria alimenta o processo de combustão até que toda matéria inflamável da bateria seja consumida. Todos já terão ouvido falar de computadores que pegaram fogo ‘do nada’ e de celulares que queimam como pólvora (tendo sido inclusive proibidos de subir a bordo de aeronaves da maioria das companhias de aviação doméstica).”
Alem disso, os parâmetros de voltagem de recarga e corrente de recarga ou de consumo elétricos devem estar estritamente controlados e dentro de faixas seguras de operação, pois um excesso de voltagem ou de corrente elétrica também pode conduzir ao sobreaquecimento e à “avalanche térmica”. Isso faz com que a segurança seja a principal preocupação na hora de selecionar e adquirir uma bateria de Li-Ion.
O consultor diz, também, que para conferir segurança a uma bateria de Li-Ion há duas únicas formas conhecidas e aceitas, e que devem ser utilizadas simultaneamente. Uma é a contenção de fogo e explosão. Isso se faz com recipientes criteriosamente projetados para resfriar a bateria por um processo de troca de calor com o meio ambiente e resistência mecânica que impeça a bateria, em caso de falha, de incendiar-se ou explodir.
A segunda medida é a aplicação do BMS (Battery Managment System, ou Sistema de Gerenciamento de Bateria), que consiste de uma eletrônica digital na qual é instalado um programa (software) eletrônico de gerenciamento, especialmente desenvolvido para essa bateria específica e para o seu carregador, o qual está permanente e constantemente monitorando os parâmetros operacionais da bateria, mantendo-a sempre dentro da faixa segura de operação e, em caso de falha, desconectando os elementos defeituosos para que não entrem em “avalanche térmica”. “As baterias de Li-Ion são dependentes do BMS para sua operação segura, o que faz desse componente o bastião da segurança operacional de todo o conjunto.”
A conclusão direta é que será um risco muito grande para o cliente e para o operador da máquina a seleção de baterias de Li-Ion de baixa qualidade ou de fabricantes que não tenham uma comprovada reputação de qualidade e responsabilidade, completa Xavier.

E os carregadores?
E os carregadores de baterias de lítio precisam ser específicos?
Sim, diz Wolfenson, da EnerSystem. Além de específicos, devem contar com valores de voltagem e corrente ajustados para esta tecnologia. Também, a potência de um carregador para bateria de lítio será maior que a correspondente de um carregador de uma bateria chumbo-ácido ventilada de igual tensão e capacidade. “Isto porque, uma bateria de lítio é recarregada em um tempo muito menor e, portanto, necessita de tensão e corrente maiores, o que resulta em uma infraestrutura mais robusta”, ensina o diretor de Qualidade, Tecnologia e Meio Ambiente da EnerSystem.
Verissimo, da JLW, também explica: carregadores de baterias chumbo-ácidas trabalham de 2 a 5 estágios de carga de 6 a 8 horas, dependendo de cada fabricante. Já as baterias de lítio trabalham apenas com um estágio de carga e as correntes de carga são bem maiores, carregando a bateria em no máximo 2 horas.
Dentro desta “obrigatoriedade”, Mariana, da Fronius, diz que o cliente deve procurar um fabricante de carregadores que tenha a comunicação e tecnologia que garantam a comunicação com esta bateria, ou que tenham uma comunicação especifica com a bateria, que chamamos de pacote. Precisa haver uma comunicação entre essas duas tecnologias, diz. De fato, Fiks, da SZ-Laboratório, lembra que é necessário um carregador inteligente que consiga se comunicar com a inteligência própria da bateria, a fim de seguir as recomendações e cuidados para a recarga mais adequada.
Xavier, da Hoppecke, também enfatiza que o BMS da bateria necessita controlar as funções do carregador, devendo ser capaz, inclusive, de pausar ou interromper o processo de recarga para evitar os problemas de sobreaquecimento. Para isso, o retificador também deve ter um sistema de controle eletrônico que seja compatível com o da bateria, ou seja, ele também requer um BMS que seja capaz de “conversar” com o seu correspondente na bateria e que possa autonomamente tomar decisões pré-programadas automáticas. “Isso é feito através de avançados mecanismos e protocolos de comunicação digital, como o sistema CAN, que utilizamos.”
Tudo isso – continua o consultor – “é para manter a segurança do sistema, por isso, recomendamos que se adquiram baterias e carregadores do mesmo fabricante sempre que possível ou que, no mínimo, se exijam certificados e testes de tipo que comprovem a plena compatibilidade entre os sistemas de gerenciamento da bateria e do carregador, e evitar o uso de sistemas que utilizem BMS´s genéricos, pois os riscos envolvidos são muito altos. Aliás, o ideal é, inclusive, que todo o sistema seja desenvolvido conjuntamente, bateria, carregador e máquina, todos se comunicando entre si”, diz Xavier.

E as baterias chumbo-ácidas?
Diante desta nova tecnologia, qual seria o destino das baterias chumbo-ácidas?
Wolfenson, da EnerSystem, acredita que haverá um processo gradativo de desenvolvimento de novas tecnologias específicas para aplicações tracionárias para empilhadeiras. “As baterias com tecnologia chumbo-ácido ventiladas permanecerão sendo a melhor relação custo x benefício para algumas aplicações por um bom tempo. Hoje as baterias de lítio não representam nem 5% das vendas de equipamentos novos, e estima-se que no período de 3 a 5 anos devam representar cerca de 15% das vendas. Assim, as baterias com tecnologia chumbo-ácido ainda serão muito úteis no curto e médio prazo.”
Xavier, da Hoppecke, também comenta que outras tecnologias, como chumbo e alcalina (níquel-cádmio), ainda têm muitos anos de vida pela frente.
“Hoje – diz ele –, existe certo fascínio no mercado pela solução Li-Ion, como aquele que vem junto com toda novidade, um ar de avanço e modernidade, porém, lembremos que as baterias de lítio foram desenvolvidas nos anos 70 e que seu primeiro avanço – que foi o uso em aparelhos celulares – levou uma década ou mais para se consolidar, justamente porque no início eram muito onerosas. Similarmente ao que ocorre na atualidade, na aplicação tracionária, o obstáculo à massificação era simplesmente o preço.”
Então, a decisão racional em termos de investimento e de retorno no capital empregado deve ser criteriosamente tomada caso a caso, conforme os benefícios entregues por cada solução tecnológica, e isso dá para aqueles fabricantes, capazes de oferecer inovações em tecnologia de baterias chumbo-ácidas ainda um longo percurso antes da obsolescência, até que o custo da nova tecnologia de Li-Ion baixe, permitindo massificação e seu uso econômico em qualquer aplicação.
Também sobre as baterias chumbo-ácidas, Refosco, da Globalbat, diz que ainda são de baixo custo e possuem alta capacidade de produção, portanto ainda serão utilizadas por no mínimo mais 10 anos. “Existe mercado para todos, na Europa temos empresas trabalhando com a tecnologia de lítio, já nos Estados Unidos as células de hidrogênio são uma tendência, e já que nossa cultura tem o hábito de renovação da frota de aproximadamente 10 a 20 anos, as baterias chumbo-ácidas têm muito tempo de mercado”, prevê Verissimo, da JLW.
E Fiks, da SZ-Laboratório, finaliza: “Não sei do destino e nem tampouco por mais quanto tempo, mas, no mercado nacional ainda não estão disponíveis as baterias chumbo-ácidas reforçadas que suportam recargas rápidas ou de oportunidade. Portanto, imagino que antes de passar para as baterias de lítio, possa haver uma fase intermediária para a utilização desta tecnologia”.

Fabricantes de empilhadeiras: baterias de lítio mudaram a tecnologia das máquinas

Segmento mais “afetado” pelas baterias de lítio, os fabricantes de empilhadeiras também se manifestam nesta matéria especial.
Por exemplo, sobre o que as baterias de lítio representam de novo no segmento de baterias tracionárias para empilhadeiras, Carlos Roma, diretor de vendas da BYD do Brasil (Fone: 0800 942.8088), que também produz as baterias de lítio, diz que em toda a mobilidade elétrica – carros, caminhões e ônibus – e de movimentação de material, smartphones, computadores, etc., as baterias com eletrólito de lítio são uma revolução de produtividade, disponibilidade e durabilidade muito maior do que, por exemplo, a injeção eletrônica foi com os carburadores.
Já Mauro Arrais, gerente nacional de vendas da Clark Material Handling Brasil (Fone: 19 3856.9098), destaca que as baterias de lítio representam mais um passo no caminho de tornar as operações mais ecologicamente amigáveis. “Com uma bateria de lítio você substitui até três baterias de chumbo ácido em cada máquina, reduz área de carregamento e economiza energia a cada carregamento”, diz ele.
De fato, Fernando Brito de Lacerda, engenheiro de Desenvolvimento de Produto da KION South America (Fone: 19 3115.0753), revela que, além de todos os benefícios, como maior vida útil e aumento da eficiência energética na carga e descarga da bateria, é importante enfatizar o ganho com a manutenção, pois com a bateria de lítio é zero. “A manutenção não é mais necessária e a área que antes era usada para troca de bateria e armazenamento das baterias sobressalentes pode ser revertida em espaço disponível para armazenamento de bens, visto que o custo por metro quadrado coberto para qualquer operação é relevante. Podemos afirmar que a bateria de lítio traz, para o segmento de empilhadeiras, um novo conceito de utilização e operação visando à praticidade durante o uso, evitando processos complexos, como troca de baterias, medição de densidade e tensão, hoje feitas em baterias chumbo-ácidas.

Mudanças nas epilhadeiras
É interessante notar, ainda, que as baterias de lítio também impuserem mudanças na tecnologia das empilhadeiras. Mas, Roma, da BYD, alerta que as mudanças foram na tecnologia, mas não na forma de operar, aliás, a forma de operar ficou mais simples e a prova de erros, segundo ele. Lítio é a solução eletrolítica da bateria, onde os elétrons viajam do polo positivo cátodo para o anodo (negativo) para fornecer energia para o circuito de carga/alimentação do produto em questão. A química da bateria é aquela situada no cátodo.
Por sua vez, Lacerda, da KION, diz que as mudanças foram tanto no software quanto no hardware. Ainda segundo ele, para se obter o máximo de eficiência na aplicação da bateria de lítio nas empilhadeiras, é imprescindível que seja estabelecida uma comunicação entre a bateria e a empilhadeira. Tal comunicação leva o conjunto “empilhadeira-bateria” ao Estado da Arte, isto é, torna-se uma solução única – a empilhadeira, a todo o momento, se comunica com a bateria, trocando informações sobre níveis de carga e mensagens de estado. Outro fator que pode ser observado – ainda segundo o engenheiro de Desenvolvimento de Produto –, uma vez que a bateria não é mais trocada, o posicionamento da tomada para a carga da bateria deve ser de fácil acesso para que o processo de carga seja feita de forma prática, seguindo o mesmo conceito de carregamento das baterias de carros elétricos.
Já Arrais, da Clark, diz que a princípio não houve mudanças na tecnologia das empilhadeiras de modo a operarem com as baterias de lítio, já que, hoje, com raras exceções, as baterias de lítio estão sendo usadas em máquinas desenhadas para as baterias chumbo-ácidas. O próximo passo – prevê – é o desenvolvimento de máquinas dimensionadas para utilização de baterias de lítio, diminuindo o tamanho do compartimento de bateria e, consequentemente, o tamanho da máquina.

Desempenho
Outra questão é sobre os resultados do uso destas baterias no desempenho das empilhadeiras, comparando com as baterias chumbo-ácidas.
O diretor de vendas da BYD diz que, “em operações aeroportuárias, apuramos que para carregarem um avião, os nossos tratores consomem cerca de 1/3 da energia usada por tratores elétricos com tecnologia chumbo-ácida.” Já de acordo com Henrique Antunes, também diretor de vendas da empresa, a tecnologia de lítio tem mais disponibilidade por operar com carga de oportunidade sem problemas de efeito memória. “Peças convencionais, como controladores, que podem queimar com a variação de tensão e corrente das baterias convencionais, no nosso caso tem sua vida estendida, entregando ao cliente um custo total de propriedade ou operação mais competitivo.”
De fato, como comenta Lacerda, da KION, a eficiência nas operações das empilhadeiras aumentou com as baterias de lítio, pois não há mais tempo gasto com troca de baterias. “Por exemplo, considerando que o tempo de troca de bateria seja de aproximadamente 20 min. e em uma operação de três turnos é necessária a troca de três baterias, este é um ganho significativo na ocupação da empilhadeira, visto que com a utilização da bateria de lítio não há troca de bateria e a carga da mesma é feita nos intervalos (refeição e café). Assim, a eficiência de recarga da bateria pode ser considerada muito alta, levando de um estado inicial de 10% de carga para 100% em apenas 45 min. em alguns casos. Outro fator importante é a eficiência energética da bateria, que chega a 95%, isto é, o valor pago na energia por turno de trabalho quando utilizada a bateria de lítio gera uma economia de 20% de energia elétrica – quando comparado com a utilização de bateria chumbo-ácida, este é um fator muito importante no desempenho das empilhadeiras.”