Embora os preços das baterias de iões de lítio estejam novamente a cair, o interesse no armazenamento de energia de iões de sódio (Na-ion) não diminuiu. Com um aumento global da capacidade de produção de células em curso, ainda não está claro se esta tecnologia promissora pode fazer pender a balança na oferta e na procura. Marija Maisch relata.
As baterias de íon de sódio estão passando por um período crítico de comercialização, à medida que indústrias, desde automotiva até de armazenamento de energia, apostam forte na tecnologia. Os fabricantes de baterias estabelecidos e os recém-chegados estão lutando para passar do laboratório à fábrica com uma alternativa viável ao íon de lítio. Com este último padrão para mobilidade elétrica e armazenamento estacionário, a nova tecnologia deve oferecer vantagens comprovadas. O íon de sódio parece bem colocado, com segurança, custos de matéria-prima e credenciais ambientais superiores.
Os dispositivos de íon de sódio não precisam de materiais críticos, contando com sódio abundante em vez de lítio, e sem cobalto ou níquel. À medida que os preços do ião de lítio subiram em 2022, no meio de previsões de escassez de materiais, o ião de sódio foi apontado como rival e o interesse permanece forte, mesmo quando os preços do ião de lítio começaram a cair novamente.
“Atualmente estamos monitorando 335.4 GWh de capacidade de produção de células de íons de sódio até 2030, destacando que ainda há um compromisso considerável com a tecnologia”, disse Evan Hartley, analista sênior da Benchmark Mineral Intelligence.
Em maio de 2023, a consultora com sede em Londres rastreou 150 GWh até 2030.
Mais barato
As células de iões de sódio, produzidas em grande escala, podem ser 20% a 30% mais baratas do que o ferro/fosfato de ferro-lítio (LFP), a tecnologia dominante de baterias de armazenamento estacionárias, principalmente graças ao sódio abundante e aos baixos custos de extracção e purificação. As baterias de íon de sódio podem usar alumínio para o coletor de corrente anódica em vez de cobre – usado em íons de lítio – reduzindo ainda mais os custos e os riscos da cadeia de fornecimento. Essas economias ainda são potenciais, no entanto.
“Antes que as baterias de íon de sódio possam desafiar as baterias existentes de chumbo-ácido e fosfato de ferro-lítio, os participantes da indústria precisarão reduzir o custo da tecnologia melhorando o desempenho técnico, estabelecendo cadeias de fornecimento e obtendo economias de escala”, disse Shazan Siddiqi, analista sênior de tecnologia da United Empresa de pesquisa de mercado sediada no Reino IDTechEx. “A vantagem de custo do Na-ion só será alcançável quando a escala de produção atingir uma escala de fabricação comparável à das células de bateria de íon de lítio. Além disso, uma nova queda no preço do carbonato de lítio poderia reduzir a vantagem de preço que o sódio oferece.”
É improvável que o íon sódio substitua o íon lítio em aplicações que priorizam alto desempenho e, em vez disso, será usado para armazenamento estacionário e veículos microelétricos. Os analistas da S&P Global esperam que o íon de lítio abasteça 80% do mercado de baterias até 2030, com 90% desses dispositivos baseados em LFP. O íon sódio pode representar 10% do mercado.
Escolhas certas
Os pesquisadores consideram o íon sódio desde meados do século 20 e os desenvolvimentos recentes incluem melhorias na capacidade de armazenamento e no ciclo de vida do dispositivo, bem como novos materiais de ânodo e cátodo. Os íons de sódio são mais volumosos que os de lítio, portanto, as células de íons de sódio têm voltagem mais baixa, bem como menor densidade de energia gravimétrica e volumétrica.
A densidade de energia gravimétrica do íon sódio está atualmente em torno de 130 Wh/kg a 160 Wh/kg, mas espera-se que ultrapasse 200 Wh/kg no futuro, acima do limite teórico para dispositivos LFP. Em termos de densidade de potência, no entanto, as baterias de íon de sódio poderiam ter 1 kW/kg, superior às de níquel-manganês-cobalto (NMC) de 340 W/kg a 420 W/kg e às de LFP de 175 W/kg a 425 W/kg.
Embora a vida útil de um dispositivo de íon de sódio de 100 a 1,000 ciclos seja inferior à do LFP, o desenvolvedor indiano KPIT relatou uma vida útil com retenção de capacidade de 80% para 6,000 ciclos – dependendo da química celular – comparável aos dispositivos de íon de lítio.
“Ainda não existe uma química vencedora única nas baterias de íon de sódio”, disse Siddiqi da IDTechEx. “Muitos esforços de P&D estão sendo realizados para encontrar o material ativo ânodo/cátodo perfeito que permita escalabilidade além do estágio de laboratório.”
Referindo-se à organização científica de segurança Underwriter Laboratories, com sede nos Estados Unidos, Siddiqi acrescentou que “a padronização UL para células de íons de sódio ainda está, portanto, um pouco distante e isso faz com que os OEMs [fabricantes de equipamentos originais] hesitem em se comprometer com tal tecnologia”.
Branco da Prússia, poliânion e óxido em camadas são candidatos a cátodo com materiais mais baratos do que seus equivalentes de íon de lítio. O primeiro, usado pela Northvolt e CATL, está amplamente disponível e é barato, mas tem densidade de energia volumétrica relativamente baixa. A empresa Faradion, sediada no Reino Unido, usa óxido em camadas, que promete maior densidade de energia, mas é prejudicado pela perda de capacidade ao longo do tempo. A Tiamat da França usa poliânion, que é mais estável, mas contém vanádio tóxico.
“A maioria dos produtores de células que planejam a capacidade de baterias de íons de sódio usarão tecnologia de cátodo de óxido em camadas”, disse Hartly, da Benchmark. “Na verdade, 71% do pipeline [da célula] é composto por camadas de óxido. Da mesma forma, 90.8% da tubulação do cátodo de íons de sódio é composta por camadas de óxido.”
Enquanto os cátodos são o principal fator de custo das baterias de íon de lítio, o ânodo é o componente mais caro das baterias de íon de sódio. O carbono duro é a escolha padrão para ânodos de íon de sódio, mas a capacidade de produção fica atrás da das células de íon de sódio, aumentando os preços. Materiais de carbono duro foram recentemente derivados de diversos precursores, como resíduos animais, lodo de esgoto, glicose, celulose, madeira, carvão e derivados de petróleo. A grafite sintética, um material comum de ânodo de íon de lítio, depende quase exclusivamente dos dois últimos precursores. Com a sua cadeia de abastecimento em desenvolvimento, o carbono duro é mais caro do que o grafite e representa um dos principais obstáculos na produção de células de iões de sódio.
Mitigando parcialmente os custos mais elevados, as baterias de íon de sódio apresentam melhor tolerância à temperatura, especialmente em condições abaixo de zero. Eles são mais seguros que os íons de lítio, pois podem ser descarregados até zero volts, reduzindo o risco durante o transporte e descarte. As baterias de íon de lítio são normalmente armazenadas com cerca de 30% da carga. O íon sódio apresenta menos risco de incêndio, pois seus eletrólitos têm um ponto de fulgor mais alto – a temperatura mínima na qual um produto químico pode vaporizar para formar uma mistura inflamável com o ar. Com ambos os produtos químicos apresentando estrutura e princípios de funcionamento semelhantes, o íon sódio pode frequentemente ser adicionado a linhas e equipamentos de produção de íons de lítio.
Na verdade, o principal fabricante mundial de baterias, CATL, está integrando íons de sódio em sua infraestrutura e produtos de íons de lítio. Sua primeira bateria de íon de sódio, lançada em 2021, tinha densidade de energia de 160 Wh/kg, com promessa de 200 Wh/kg no futuro. Em 2023, a CATL disse que a montadora chinesa Chery seria a primeira a usar suas baterias de íon de sódio. CATL disse revista pv no final de 2023, desenvolveu uma cadeia industrial básica para baterias de íon de sódio e estabeleceu a produção em massa. A escala de produção e as remessas dependerão da implementação do projeto do cliente, disse CATL, acrescentando que é preciso fazer mais para a implementação comercial em larga escala do íon de sódio. “Esperamos que toda a indústria trabalhe em conjunto para promover o desenvolvimento de baterias de íon de sódio”, disse o fabricante de baterias.
Carregar para sódio
Em janeiro de 2024, a maior montadora e segunda maior fornecedora de baterias da China, BYD, disse que havia iniciado a construção de uma fábrica de baterias de íon de sódio de 10 bilhões de yuans (US$ 1.4 bilhão) e 30 GWh por ano. A saída alimentará dispositivos de “micromobilidade”. HiNa, derivada da Academia Chinesa de Ciências, em dezembro de 2022 encomendou uma linha de produção de bateria de íon de sódio em escala de gigawatt-hora e anunciou uma linha de produtos de bateria de íon Na e um protótipo de carro elétrico.
O fabricante europeu de baterias Northvolt revelou células de bateria de íon de sódio validadas para 160 Wh/kg em novembro de 2023. Desenvolvida com a Altris – subsidiária da Universidade de Uppsala, na Suécia – a tecnologia será usada no dispositivo de armazenamento de energia de próxima geração da empresa. A oferta atual da Northvolt é baseada na química NMC. No lançamento, Wilhelm Löwenhielm, diretor sênior de desenvolvimento de negócios para sistemas de armazenamento de energia da Northvolt, disse que a empresa deseja uma bateria que seja competitiva em escala com o LFP. “Com o tempo, espera-se que a tecnologia ultrapasse significativamente o LFP em termos de competitividade de custos”, disse ele.
A Northvolt quer uma bateria “plug-and-play” para rápida entrada no mercado e expansão. “As principais atividades para levar esta tecnologia específica ao mercado são a expansão da cadeia de fornecimento de materiais para baterias, o que a Northvolt está a fazer atualmente, em conjunto com parceiros”, disse Löwenhielm.
Os participantes menores também estão fazendo a sua parte para levar a tecnologia de íons de sódio à comercialização. A Faradion, que foi adquirida pelo conglomerado indiano Reliance Industries em 2021, afirma que agora está transferindo o design de sua célula de próxima geração para a produção. “Desenvolvemos uma nova tecnologia de célula e pegada com densidade de energia 20% maior e aumentamos o ciclo de vida em um terço em comparação com nosso design de célula anterior”, disse o CEO (CEO) da Faradion, James Quinn.
As células de primeira geração da empresa demonstraram uma densidade de energia de 160 Wh/kg. Em 2022, Quinn disse que o plano da Reliance era construir uma fábrica de íons de sódio de dois dígitos de gigawatts na Índia. Por enquanto, parece que esses planos ainda estão em vigor. Em agosto de 2023, o presidente da Reliance, Mukesh Ambani, disse na reunião anual de acionistas da empresa que o negócio está “focado na comercialização acelerada de nossa tecnologia de bateria de íon de sódio… Construiremos nossa liderança tecnológica industrializando a produção de células de íon de sódio em um nível de megawatt, 2025 e rapidamente atingir a escala giga depois disso”, disse ele.
Produção
A startup Tiamat avançou com seus planos de iniciar a construção de uma planta de produção de 5 GWh na região francesa de Hauts-de-France. Em Janeiro de 2024, angariou 30 milhões de euros (32.4 milhões de dólares) em financiamento de capital e dívida e disse que espera concluir o financiamento do seu projecto industrial nos próximos meses, elevando o financiamento total para cerca de 150 milhões de euros. A empresa, uma subsidiária do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, fabricará inicialmente células de íons de sódio para ferramentas elétricas e aplicações de armazenamento estacionário em sua fábrica, “para atender aos primeiros pedidos que já foram recebidos”. Posteriormente, terá como objetivo a produção ampliada de produtos de segunda geração para aplicações em veículos elétricos a bateria.
Nos Estados Unidos, os intervenientes da indústria também estão a intensificar os seus esforços de comercialização. Em janeiro de 2024, a Acculon Energy anunciou a produção em série de seus módulos e pacotes de baterias de íon de sódio para aplicações de mobilidade e armazenamento estacionário de energia e revelou planos para escalar sua produção para 2 GWh até meados de 2024. Enquanto isso, a Natron Energy, uma subsidiária da Universidade de Stanford, pretendia começar a produzir em massa suas baterias de íon de sódio em 2023. Seu objetivo era produzir 600 MW de células de íon de sódio nas instalações de Meadowbrook de íon de lítio da produtora de baterias Clarios International, em Michigan. No entanto, as atualizações sobre o progresso foram limitadas.
Métodos
Em outubro de 2023, a Peak Energy surgiu com US$ 10 milhões em financiamento e uma equipe de gestão composta por ex-executivos da Northvolt, Enovix, Tesla e SunPower. A empresa disse que inicialmente importará células de bateria e que não se espera que isso mude até o início de 2028. “Você precisa de cerca de um bilhão de dólares para uma fábrica de gigawatts em pequena escala – pense em menos de 10 GW”, disse Landon Mossburg, CEO da Peak Energy, no lançamento. . “Portanto, a maneira mais rápida de chegar ao mercado é construir um sistema com células disponíveis de terceiros, e a China é o único lugar que está construindo capacidade para enviar células suficientes.” Eventualmente, a empresa espera qualificar-se para créditos de conteúdo doméstico ao abrigo da Lei de Redução da Inflação dos EUA.
Alguns fornecedores, como o KPIT da Índia, entraram no espaço sem quaisquer planos de produção. O negócio de software automotivo e soluções de engenharia revelou sua tecnologia de bateria de íon de sódio em dezembro de 2023 e iniciou uma busca por parceiros de fabricação. Ravi Pandit, presidente do KPIT, disse que a empresa desenvolveu múltiplas variantes com densidade de energia variando de 100 Wh/kg a 170 Wh/kg, e potencialmente atingindo 220 Wh/kg.
“Quando começamos a trabalhar nas baterias de íon de sódio, a expectativa inicial de densidade de energia era bastante baixa”, disse ele. “Mas nos últimos oito anos a densidade energética tem aumentado devido aos desenvolvimentos que nós e outras empresas temos realizado.” Outros estão em busca de parcerias de fornecimento. No ano passado, o grupo tecnológico finlandês Wärtsilä – um dos principais integradores de sistemas de armazenamento de energia de baterias do mundo – afirmou que estava à procura de potenciais parcerias ou aquisições neste domínio. Na época, a empresa estava avançando para testar a tecnologia em suas instalações de pesquisa. “Nossa equipe continua comprometida em buscar novas oportunidades em termos de diversificação de tecnologias de armazenamento de energia, como a incorporação de baterias de íon de sódio em nossas futuras soluções estacionárias de armazenamento de energia”, disse Amy Liu, diretora de desenvolvimento de soluções estratégicas da Wärtsilä Energy Storage and Optimization, em fevereiro. 2024.
Oportunidade de nearshoring
Após muitos anúncios de produção em massa, as baterias de íon de sódio estão agora no ponto decisivo e o interesse dos investidores determinará o destino da tecnologia. A análise de mercado da IDTechEx, realizada em novembro de 2023, sugere um crescimento previsto de pelo menos 40 GWh até 2030, com 100 GWh adicionais de capacidade de produção dependendo do sucesso do mercado até 2025.
“Essas projeções pressupõem um boom iminente na indústria [de baterias de íon de sódio], que depende de compromissos comerciais nos próximos anos”, disse Siddiqi.
O ião sódio poderia oferecer mais uma oportunidade para cadeias de abastecimento de energia limpa perto da costa, com as matérias-primas necessárias tão prontamente disponíveis em todo o mundo. Parece que o trem já saiu da estação.
“Tal como aconteceu com as fases iniciais do mercado de baterias de iões de lítio, o principal gargalo para a indústria global será o domínio da China”, disse Hartley da Benchmark. “Em 2023, 99.4% da capacidade das células de íon de sódio estava baseada na China e a previsão é que esse número caia para 90.6% até 2030. À medida que a política na Europa e na América do Norte busca desviar as cadeias de fornecimento de baterias de íon de lítio da China, devido à dependência da sua produção doméstica, também será necessária uma mudança no mercado de iões de sódio para criar cadeias de abastecimento localizadas.”
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