O grafeno parece prestes a revolucionar o mercado de baterias para veículos elétricos (VE) em meados da década de 2030, de acordo com uma nova plataforma de análise de inteligência artificial (IA) que prevê avanços tecnológicos com base em dados de patentes globais.
Com a transição global para um sistema de transporte eletrificado a ganhar ritmo, a procura pela bateria EV perfeita – que ofereça o equilíbrio ideal entre custo, densidade energética, segurança e sustentabilidade ambiental – torna-se cada vez mais importante. Há cerca de uma dúzia de produtos químicos para baterias competindo pelo domínio do mercado; qual deles sairá vitorioso é a verdadeira questão de um trilhão de dólares. Pelo menos no curto prazo, as baterias tradicionais à base de lítio provavelmente manterão o seu controle no mercado, com as baterias à base de sódio oferecendo uma alternativa barata e verde para certas aplicações, de acordo com uma nova pesquisa da Focus, uma plataforma de análise de IA que prevê avanços tecnológicos com base em dados de patentes globais. No entanto, são as emergentes baterias de grafeno e de íons duplos que provavelmente um dia realmente perturbarão o mercado.
A investigação sugere que as baterias de grafeno, em particular, surgirão no início e meados da década de 2030 para desafiar as suas homólogas de lítio na coroa dos veículos eléctricos, à medida que o preço da produção de grafeno cai vertiginosamente. Este desenvolvimento promete não só melhorar enormemente o desempenho dos VE, mas também oferecer uma vantagem para a eficiência energética e as metas de redução de carbono. “Se há uma tecnologia de bateria que devemos ficar de olho, é o grafeno”, diz Jard van Ingen, CEO e cofundador da Focus.
Os jovens pretendentes
A Focus analisa o estado atual dos produtos químicos das baterias EV e prevê quais delas deverão dominar nos próximos anos. Usando uma abordagem inspirada na pesquisa do Instituto de Tecnologia de Massachusetts, a plataforma Focus processa grandes volumes de dados de patentes globais em tempo real usando três tipos de IA: grandes modelos de linguagem fazem pesquisas contínuas em arquivos de dados de patentes globais para exploração, pontuação e comparações de tecnologia ; a pesquisa vetorial fornece inteligência em tempo real sobre o cenário global de inovação e tecnologia; e a regressão multivariada oferece análise preditiva, identificando relações entre dados e resultados do mundo real. A Focus calcula 'Níveis de Prontidão Tecnológica' para a maturidade das tecnologias de baterias e uma 'Taxa de Melhoria Tecnológica' para medir o aumento no desempenho por dólar por ano de diferentes produtos químicos de baterias.
“Em essência, para os VE, trata-se de encontrar o ponto ideal entre densidade energética, segurança, custo e sustentabilidade”, afirma Kacper Gorski, chefe de operações da Focus. “Cada um destes produtos químicos traz algo único para a mesa e o seu desenvolvimento moldará o futuro da mobilidade elétrica. A questão principal, no entanto, é: quais estão realmente progredindo rapidamente e quais são superestimadas?”
A Focus descobriu que todas as tecnologias de baterias à base de lítio estão melhorando em velocidades semelhantes. Os actuais produtos químicos dominantes, lítio-níquel-manganês-cobalto e lítio-ferro-fosfato, estão a melhorar ano após ano (YoY) a taxas de 30% e 36%, respectivamente. As baterias de lítio-enxofre estão melhorando 30% em termos anuais e os ânodos de silício, 32%, o que significa que é improvável que o par perturbe o mercado – tecnologias verdadeiramente disruptivas têm velocidades de melhoria que são significativa e consistentemente superiores às dos seus concorrentes. Da mesma forma, embora muito tenha sido escrito sobre o potencial das baterias de lítio de estado sólido, a Focus descobriu que a tecnologia só está a melhorar a uma taxa de 31% em relação ao ano anterior, o que significa que também é improvável que perturbe os operadores históricos.
O mesmo se aplica às baterias de sódio igualmente elogiadas, que têm uma taxa de melhoria de 33% – colocando-as dentro de um erro de medição das baterias de fosfato de ferro-lítio. Van Ingen explica que as baterias de sódio têm uma densidade de energia relativamente modesta, limitando a quilometragem que podem oferecer aos VEs sem adicionar muito peso ao veículo. No entanto, fariam sentido para armazenamento estacionário, onde o peso não é um fator limitante. “Portanto, se tudo o que você precisa são baterias relativamente baratas para as demandas da rede, então as baterias de sódio fazem muito sentido”, diz ele. “Eles poderiam até funcionar para veículos elétricos de baixo custo – veículos realmente baratos e de produção em grande volume, projetados para distâncias curtas. É uma tecnologia de melhoria relativamente rápida, mas não vai perturbar completamente o mercado.”
São alguns dos produtos químicos de bateria mais incipientes que estão gerando mais entusiasmo. As baterias de magnésio-enxofre estão melhorando a uma taxa de 24.4% em relação ao ano anterior, as baterias de íons de magnésio estão melhorando em 26%, as baterias de nanofios em 35% e as baterias de íons de potássio em 36%. No entanto, todas elas são insignificantes em comparação com as baterias de grafeno, que estão melhorando impressionantes 48.8% em relação ao ano anterior, ou baterias de íons duplos, que apresentam uma taxa de melhoria de 48.5% em relação ao ano anterior. “Como as velocidades de melhoria das baterias de grafeno e de íons duplos são significativa e consistentemente mais altas do que outras substâncias químicas de bateria, elas podem ser consideradas perturbadoras”, diz van Ingen.
No entanto, num confronto direto entre os dois produtos químicos, a Focus acredita que as baterias de grafeno têm o maior potencial, já que a pesquisa é mais desenvolvida e o elemento mais onipresente. A tecnologia oferece um enorme avanço no desempenho dos VEs, prometendo altas densidades de energia, maior ciclo de vida (o número de ciclos de carga e descarga que uma bateria pode completar antes de perder desempenho) e carregamento rápido. Atualmente, sua principal desvantagem é o custo proibitivo, impulsionado pelo preço exorbitante da produção de grafeno.
“O grafeno é um material realmente básico derivado de qualquer fonte de carbono”, diz van Ingen. “O material base é muito abundante, está em todo lugar, mas a forma de transformá-lo em grafeno é a limitação. Os métodos de produção atuais são muito caros.”
Baterias de grafeno, o verdadeiro disruptor
Para que as baterias de grafeno perturbem o mercado de EV, o custo de produção de grafeno deve diminuir significativamente. O grafeno é atualmente produzido por cerca de US$ 200,000 por tonelada, ou US$ 200 por quilograma (kg). É difícil prever quão barata será a produção antes que os fabricantes comecem a usá-la em suas baterias, mas a Focus acredita que isso acontecerá quando o grafeno se tornar comparável ao lítio.
O carbonato de lítio custa atualmente cerca de US$ 16/kg para ser produzido e os analistas acreditam que pode cair mais 30%, para US$ 11/kg em 2024. O método de previsão da Focus estima a velocidade de melhoria da produção de grafeno em 36.5% em relação ao ano anterior. Assim, assumindo o preço atual de US$ 200/kg e um preço-alvo de US$ 11/kg, a Focus prevê que a produção de grafeno se tornará barata o suficiente para que o material entre na indústria química de baterias por volta de 2031.
Segundo a Focus, existem cerca de 300 organizações trabalhando atualmente na tecnologia de baterias de grafeno. Das dez empresas mais bem posicionadas para revolucionar o mercado de baterias com grafeno, a Focus classifica o Global Graphene Group como líder. Sua subsidiária, Honeycomb Battery Company, anunciou recentemente um acordo histórico de combinação com a Nubia Brand International com o objetivo de aprimorar as capacidades de fabricação e pesquisa da Honeycomb, com foco principal em tecnologia avançada de baterias para veículos elétricos.
Da mesma forma, StoreDot, a única start-up entre as dez primeiras, fez um progresso impressionante em 2023. A empresa está preparada para a produção em massa de suas células de bateria '100in5' em 2024. Essas células são projetadas para fornecer pelo menos 100 quilômetros de alcance com apenas cinco minutos de carregamento. StoreDot formou acordos estratégicos com empresas como Volvo Cars (Geely), VinFast e Flex|N|Gate. No início de 2024, colaborou com a Polestar da Volvo Cars na primeira demonstração de carregamento de EV de dez minutos do mundo. A qualidade da bateria foi validada após testes realizados por 15 fabricantes líderes mundiais, não apresentando degradação mesmo após 1,000 ciclos consecutivos de “carregamento extremamente rápido”.
A Toray Industries, por outro lado, foi identificada pela Focus como o player de iteração mais rápido (o menor tempo de ciclo). A empresa fez progressos significativos em sua pesquisa sobre baterias de grafeno, desenvolvendo uma solução de dispersão de grafeno ultrafina com excelente fluidez e condutividade elétrica e térmica – particularmente benéfica para aplicações como baterias e materiais de fiação. A Toray é, portanto, capaz de criar grafeno muito fino e de alta qualidade a partir de materiais de grafite baratos. A tecnologia, afirma Toray, oferece uma vida útil da bateria 50% melhor do que os tradicionais nanotubos de carbono usados como agentes condutores.
“Olhando para o futuro, o maior gargalo agora para as baterias de grafeno é encontrar um método de produção que realmente possa fazer isso em escala”, conclui van Ingen. Ainda é um campo dominado principalmente pela investigação, mas isto irá catapultá-lo para o mundo real na próxima década, de acordo com a Focus.
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