Começa corrida por próxima geração de baterias

imagem: Water for People/ Steve Zylius/UCI

Começa corrida por próxima geração de baterias

Seja no laptop ou no smartphone, é bem provável que todos os dias você precise usar baterias de íons de lítio. Desde que invadiram o mercado nos anos 90, essas baterias recarregáveis ajudaram a tornar celulares e computadores cada vez mais portáteis – e, agora, vêm fazendo o mesmo com carros.

Mas as baterias de íons de lítio têm seus pontos negativos. O estoque mundial deste mineral é limitado, criando um problema para empresas e consumidores que exigem baterias cada vez mais seguras, duráveis e potentes. Enquanto isso, a demanda só aumenta, já que novos usos para as baterias se desenvolvem rapidamente, incluindo carros elétricos e sistemas de armazenamento de energia.

De olho nesta demanda, a corrida pelo desenvolvimento da próxima geração de baterias já começou – apesar de ainda não termos como saber de que forma elas serão melhores que as atuais.

Energia portátil

Em sua forma mais básica, uma bateria é composta por um cátodo, um anodo e o eletrólito. Os elétrons de carga negativa fluem através do líquido eletrólito a partir do anodo, que é o polo negativo, em direção ao cátodo, ou polo positivo. Esse fluxo de elétrons é uma corrente.

As baterias de íons de lítio são chamadas assim porque os cátodos são feitos de um composto metálico de óxido de lítio. Elas são o tipo mais popular de bateria, por armazenarem uma grande quantidade de energia em um espaço pequeno, como em um celular. O lítio fornece até três vezes a densidade energética das baterias recarregáveis convencionais.

A maioria das baterias de íons de lítio tem anodo de grafite e eletrólito orgânico. Dentro da bateria, uma barreira fina e porosa feita de polipropileno (um tipo de plástico) previne curto-circuitos e impede que o cátodo e o anodo se toquem. Se este separador romper ou sofrer desgaste, os eletrodos poderão entrar em contato, e a bateria começará a aquecer muito rapidamente. As baterias também são preenchidas com um líquido eletrólito inflamável que pode entrar em combustão se aquecido – algo que pode facilmente acontecer em caso de curto-circuito. Outra potencial complicação é vazamento do líquido eletrólito.

Eletrólitos aprimorados

Para solucionar esses problemas, os pesquisadores estão explorando tecnologias de estado sólido.

“O líquido eletrólito está por trás das limitações atuais”, afirma John B. Goodenough, professor de engenharia mecânica e de ciência dos materiais na Universidade do Texas, nos Estados Unidos.

Segundo ele, o eletrólito restringe o número de vezes que a bateria pode ser carregada e descarregada,  além de limitar a velocidade de carregamento da bateria e a quantidade de energia armazenável.

A nova geração de baterias continuará sendo de íons de lítio, mas pode, por exemplo, ser feita com eletrólitos de estado sólido em vez de líquido.

São altas as exigências impostas aos eletrólitos. Além de conduzirem eletricidade, eles devem suportar alta-tensão e permanecerem estáveis – eletroquímica e termicamente – por um longo período de tempo. É por isso que desenvolver uma alternativa de estado sólido é uma empreitada desafiadora.

No ano passado, pesquisadores dos Laboratórios Federais Suíços de Ciência e Tecnologia de Materiais desenvolveram um eletrólito de estado sólido que consegue competir com os atuais eletrólitos líquidos em termos de eficiência. Sua condutividade é comparável à de um eletrólito líquido em temperatura ambiente, e ele é estável em temperaturas de até 150 graus centígrados. Os eletrólitos líquidos, por outro lado, não suportam altas temperaturas sem apresentarem riscos de segurança.

Em 2016, pesquisadores da Toyota publicaram um artigo investigando uma bateria de íons de lítio de estado sólido que precisa de apenas sete minutos para carregar.

As baterias de lítio-enxofre, que têm uma química completamente diferente, também já despontam como uma possibilidade promissora para o futuro. Teoricamente, sua capacidade de armazenamento é grande, além de usarem enxofre, que é um recurso abundante.

Mais barato e com maior duração

O custo para fazer baterias caiu bastante nos últimos anos, enquanto a demanda aumentou e a os usos se diversificaram, incluindo carros elétricos e sistemas armazenamento de energia. Mas, para tornar os carros elétricos mais economicamente viáveis ou mesmo práticos para percorrer longas distâncias, o ciclo de vida das baterias precisa aumentar, e o processo de produção delas precisa ficar ainda mais barato.

Em 2014, Johnson Matthey, uma empresa britânica especializada em tecnologias sustentáveis, adquiriu uma unidade de pesquisa de baterias na cidade de Changzhou, no sul da China, com o objetivo de descobrir como melhorar a eficiência das baterias para uso em carros. Segundo a empresa, a vida útil das baterias que são usadas em carros autônomos precisa ser igual à vida útil dos carros, algo entre 10 e 15 anos. Afinal, a vida útil limitada das baterias pode desencorajar a compra dos carros. Atualmente, a maioria dos fabricantes garante uma duração de oito anos às baterias, ou cerca de 160 mil quilômetros.

Uma das maiores desvantagens das baterias de íons de lítio é que a sua capacidade diminui com o tempo, disse Lei Cheng, pesquisador do Centro para Pesquisa em Armazenamento de Energia e da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório Nacional Argonne, nos Estados Unidos. “Isso é causado por reações químicas indesejadas que acontecem durante o processo de carregar e descarregar, bem como enquanto a bateria está em repouso”. O problema se agrava em altas temperaturas.

Além disso, a bateria de íons de lítio ainda é muito cara porque usa metais como cobalto e lítio, e não existem ainda métodos econômicos de reciclagem para elas. Isso também impulsiona a busca por melhores alternativas químicas.

A melhor opção para uma bateria de grande escala é substituir o eletrólito líquido por um eletrólito de estado sólido sem a chamada estrutura cristalina ordenada. “Esse eletrólito já existe, mas o desenvolvimento de baterias com ele ainda depende de acordos de licenciamento”, disse Goodenough.

Sistemas de armazenamento de energia

Junto com os carros elétricos, os sistemas de armazenamento de energia são outra área onde as baterias de grande escala desempenharão um papel cada vez mais importante. A quantidade de energia renovável produzida a partir de fonte solar ou eólica é variável porque depende do clima. As baterias ajudariam a estabilizar essas redes ao possibilitar um armazenamento eficiente de energia.

“As baterias de íons de sódio podem ser uma alternativa barata ao íon de lítio no mercado de sistemas de armazenamento de energia”, declarou Cheng. As baterias de íons de sódio funcionam de maneira semelhante às de íons de lítio, mas usam sódio, que é uma substância mais acessível.

Emma Kendrick, química de materiais da Universidade de Warwick no Reino Unido, está pesquisando a bateria de íons de sódio. “É uma alternativa mais barata às baterias de íons de lítio”, disse ela. “Ainda está em sua infância, mas já existem oportunidades de pesquisa voltadas à manufaturabilidade e à durabilidade da tecnologia”.

As baterias de fluxo são outra opção.

“Baterias de fluxo também são opções atraentes, pois são facilmente produzidos em escala industrial e oferecem alta capacidade”, disse Cheng. Segundo ele, estas baterias contêm dois compostos químicos separados por uma membrana. “Os compostos podem fluir através da membrana, criando energia química, mas também podem voltar ao ponto inicial, o que recarrega a bateria”, completou.

As opções são muitas. Em fevereiro deste ano, cientistas da Universidade da Califórnia em Irvine criaram baterias de nanofios de ouro que podem ser recarregadas centenas de vezes ao longo da sua vida útil, o que é inédito no mercado. A equipe espera que a nova tecnologia abra caminho para baterias de duração indefinida.

O grafeno também poderá ser um dos componentes da bateria do futuro. A empresa espanhola Grabat, que fabrica baterias de grafeno, declarou que uma única carga é suficiente para abastecer um carro elétrico para uma viagem de mais de 800 quilômetros. Para efeitos de comparação, o Modelo 3 da Tesla consegue percorrer cerca de 350 quilômetros com uma carga.

Apesar de ninguém conseguir prever como será a próxima geração de baterias, há muito trabalho sendo feito para solucionar os atuais problemas.

Todas as novas opções de bateria, das de fluxo às de íons de sódio, estão em fase de desenvolvimento, mas as de íons de lítio não serão aposentadas tão cedo. “Nos próximos cinco anos, as baterias de íons de lítio [ainda] dominarão”, disse Tao Liu, pesquisador associado da Universidade de Cambridge.

Enquanto isso, os cientistas estão empenhados em descobrir a melhor forma de reciclar as baterias de íons de lítio. Isso vai reduzir o impacto ambiental causado pela extração de ainda mais lítio, outro processo caro.

Este artigo foi originalmente publicado pela chinadialogue

 

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