Pesquisadores de Harvard criaram uma bateria de estado sólido que carrega em dez minutos e dura 30 anos, mas a tão badalada tecnologia continua sendo uma solução de longo prazo para a transição energética.
As pessoas estão a adotar lenta mas seguramente os veículos elétricos (VE), mas o ritmo dessa transição ainda precisa de ser acelerado para que o mundo atinja a sua meta de emissões líquidas zero em 2050. Apesar das melhorias exponenciais dos VE, muitos condutores ainda estão relutantes em abandonar o mercado. atrás da conveniência dos seus carros movidos a gasolina. Juntamente com o custo, as preocupações com a falta de estações de carregamento e de duração da bateria foram citadas como as principais barreiras para os consumidores dos EUA comprarem um VE num inquérito da Ipsos Mori no ano passado. Para os fabricantes de automóveis, muito disto se deve às persistentes restrições de autonomia e longevidade das baterias de iões de lítio (Li-ion) existentes sob o capot dos VE.
No entanto, uma equipa de cientistas da Universidade de Harvard acredita ter dado um passo importante para resolver estes dilemas. Investigadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) desenvolveram um novo "Estado sólido" bateria que pode carregar no tempo que leva para encher um tanque de gasolina e suportar de 3 a 6 vezes mais ciclos de carga do que uma bateria EV típica.
As baterias de estado sólido são há muito consideradas o Santo Graal para uma transição generalizada para o transporte eletrificado, e a corrida para comercializá-las acelerou nos últimos anos. Empresas como Toyota e Volkswagen estão desenvolvendo suas próprias versões, que esperam colocar em veículos até o final da década. Com o impulso desta última inovação de Harvard, as baterias de estado sólido estão finalmente prontas para corresponder ao seu entusiasmo?
Os benefícios dos eletrólitos sólidos sobre os líquidos
Hoje, as baterias de íon-lítio dominam; eles são usados em tudo, desde telefones celulares e laptops até veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia. Pesquisadores e fabricantes reduziram o preço das baterias de íons de lítio em 90% na última década e acreditam que podem torná-las ainda mais baratas. Eles também acreditam que podem fabricar uma bateria de lítio ainda melhor.
Essas baterias usam um eletrólito líquido para mover íons entre um cátodo e um ânodo durante a descarga e o carregamento. Porém, o líquido é inflamável e impede a adição de materiais que prolongam a vida útil da bateria. Os pesquisadores acreditam que uma solução seria usar eletrólitos sólidos em vez de líquidos.
Essas baterias de estado sólido prometem uma ampla variedade de vantagens em relação às suas contrapartes de base líquida. Acima de tudo, oferecem maior densidade energética; o que significa que podem armazenar mais energia por unidade de volume ou peso, resultando em uma vida útil mais longa da bateria ou em baterias menores e mais leves. Eles também prometem um ciclo de vida mais longo; suportando mais ciclos de carga-descarga sem degradação, aumentando assim a vida útil da bateria. O uso de um eletrólito sólido também permite um carregamento muito mais rápido sem o risco de danos à bateria devido ao transporte de íons mais eficiente.
As baterias de estado sólido podem operar em uma faixa de temperatura mais ampla do que as baterias de base líquida, permitindo um melhor uso em condições climáticas extremas. Geralmente são considerados mais seguros porque um eletrólito sólido reduz o risco de curto-circuitos e superaquecimento, que pode causar incêndios ou explosões em baterias de base líquida. Finalmente, o eletrólito sólido pode ser produzido a partir de uma gama mais ampla de materiais mais baratos e mais ecológicos.
No geral, as baterias de estado sólido têm o potencial de revolucionar a indústria de baterias, oferecendo melhor desempenho, segurança e longevidade em comparação com as baterias tradicionais de íons de lítio. “Devido à sua elevada densidade energética, as baterias de estado sólido serão mais apropriadas para veículos eléctricos em vez de sistemas de armazenamento de energia [estacionários], e podem realmente ser um contribuidor chave para a electrificação do transporte pesado”, afirma Teo Lombard, modelador de energia para transporte na Agência Internacional de Energia (AIE).
“Um salto em frente” no design de baterias de estado sólido
Os pesquisadores do SEAS desenvolveram uma bateria do tamanho de um selo postal usando um design de “célula-bolsa”, em vez da variante típica de “célula tipo moeda”. A bateria manteve 80% da capacidade após 6,000 ciclos de carregamento e teve um bom desempenho em baixas temperaturas. Ela superou outras baterias de estado sólido, pois os pesquisadores encontraram uma maneira de fabricá-la com um ânodo de metal de lítio, que tem dez vezes a capacidade de um ânodo de grafite típico.
O novo design multicamadas e multimateriais foi capaz de superar o problema generalizado dos “dendritos” – estruturas semelhantes a raízes que crescem da superfície do ânodo para o eletrólito. Eles podem perfurar a barreira que separa o cátodo oposto, causando curto-circuito na bateria e, às vezes, pegando fogo.
A vida útil prolongada da bateria – equivalente a cerca de 30 anos – poderia reduzir significativamente o custo dos VEs, enquanto a capacidade de carregar a bateria em questão de minutos confere-lhe uma densidade de potência excepcional que poderia servir para outras aplicações.
“Conseguimos carregar a bateria em 5 a 10 minutos durante 6,000 ciclos; normalmente, as baterias de EV levam várias horas para carregar e elas têm entre 1,000 e 2,000 ciclos”, diz Xin Li, professor associado de ciência de materiais no SEAS e pesquisador principal do projeto. “Nossa pesquisa também mostra que é possível usar outros materiais como ânodo, como prata, magnésio ou silício. É definitivamente um salto em direção à expansão da produção em massa de baterias de estado sólido.”
“Do laboratório para o mundo real”
Nem todos estão convencidos, no entanto. “O desafio atual das baterias de estado sólido é a implementação e a expansão, em vez de conseguir algo ainda melhor no nível da célula”, diz Lombard.
Do ponto de vista da engenharia, um desafio que a indústria ainda precisa superar é a fabricação de uma bateria de estado sólido que seja capaz de suportar pressões extremamente altas e ao mesmo tempo ser capaz de “respirar” – expandir e contrair. “A solução para este problema poderia anular os ganhos de densidade energética das baterias de estado sólido, pelo que esta é realmente uma questão que a indústria precisa de responder nos próximos anos através do processo de expansão”, diz Lombard.
Do ponto de vista da segurança, outro problema que os fabricantes de estado sólido precisam superar é que, mesmo que uma bateria de estado sólido não pegue fogo quando entrar em curto-circuito, outros materiais no motor poderão fazê-lo. “Novamente, este é um desafio de engenharia que precisa ser testado e verificado em nível industrial”, afirma Lombard.
Finalmente, existe o obstáculo considerável de construir uma cadeia de abastecimento para baterias de estado sólido. De acordo com Lombard, as cadeias de fornecimento de baterias exigem materiais de alta qualidade em volumes muito elevados, porque uma bateria não funciona mesmo com uma quantidade minúscula de contaminantes. “Isso leva muito tempo para ser construído”, diz ele. “Isso também ocorre porque o campo mais amplo de baterias está crescendo exponencialmente, então o estado sólido não está entrando em um mercado fixo, mas sim em um mercado onde todas as tecnologias – incluindo a tradicional bateria de íons de lítio – estão melhorando loucamente rápido e você precisa ganhar alguns espaço nele.”
Para Lombard, o sucesso das baterias de estado sólido não virá de novos avanços académicos – “por mais importante que este estudo seja”, ressalva – mas sim da forma como a indústria resolverá os restantes desafios de engenharia e desenvolverá a cadeia de abastecimento associada.
“As baterias de estado sólido têm muito potencial, mas a forma como a indústria resolve estes desafios [de engenharia] determinará se elas dominarão o mercado de baterias EV ou se continuarão a ser um nicho de aplicação para carros e camiões de muito longa distância”, diz ele.
De acordo com uma pesquisa recente da Focus, uma plataforma de análise de IA que prevê avanços tecnológicos com base em dados de patentes globais, a tecnologia de baterias de estado sólido está a melhorar a uma taxa de 31% ano após ano. Embora impressionante, esse ritmo não é atualmente suficiente para perturbar os operadores históricos – com as baterias de iões de lítio a registarem uma melhoria semelhante de 30.5%.
A AIE prevê que as baterias de estado sólido desempenharão um papel importante na transição para emissões líquidas zero, especialmente para descarbonizar o transporte pesado através de aplicações como camiões eléctricos. “Mas é importante não exagerarmos ou subestimarmos a indústria”, afirma Lombard. Se as baterias de estado sólido conseguirem atingir o seu potencial, será em algum momento da década de 2030, prevê ele. “Neste momento, eles realmente precisam ser transferidos do laboratório para o mundo real.”
De sua parte, Li acredita que será por volta de 2030 antes que o estado sólido se torne popular. “Antes disso, ainda existem muitas barreiras técnicas a serem superadas”, diz ele. “Os avanços [recentes] não antecipam necessariamente a data de 2030, mas tornam essa data possível.”
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