Os avanços na tecnologia de baterias podem torná-la atraente em comparação com o hidrogênio

Em um webinar recente da Mission Hydrogen, Maximilian Fichtner, diretor do Centro de Armazenamento de Energia Eletroquímica de Ulm-Karlsruhe (CELEST), na Alemanha, observou que o combustível de hidrogênio enfrenta obstáculos para competir com a tecnologia de baterias elétricas (BE) em veículos e equipamentos. Entre eles, estão as emissões de gases de efeito estufa (GEE) ao longo do ciclo de vida, a eficiência energética em toda a cadeia de suprimentos e o custo por quilômetro.

Com o objetivo de explicar melhor o que os defensores do hidrogênio estão enfrentando, Fichtner abordou os vários avanços tecnológicos em baterias para veículos e equipamentos móveis.

Tendências de íons de lítio

Referindo-se à conhecida bateria de íons de lítio, ele disse: “Desde o lançamento no mercado, em 1991, a densidade energética foi multiplicada por quatro. Os custos caíram 18 vezes.”

Fichtner citou dados da edição de dezembro de 2015 do MRS Bulletin da Materials Research Society que indicaram crescimento na densidade de energia gravimétrica para baterias de íons de lítio de aproximadamente 75 Wh/kg em 1991 para cerca de 250 Wh/kg em 2015. Esses mesmos dados mostraram que os custos caíram de mais de US$ 3.000/kWh em 1995 para aproximadamente US$ 400/kWh em 2015.

Fichtner acrescentou que, somente nos últimos 10 anos, os custos das baterias de íons de lítio tiveram um declínio de 90% — uma redução que continua.

Melhorando a Sustentabilidade

Segundo Fichtner, são desenvolvimentos como esses que tiveram um impacto significativo nas inovações da indústria de baterias. Uma delas diz respeito à sustentabilidade.

“No passado, sempre fomos motivados a desenvolver baterias melhores — mais energia, carregamento mais rápido, maior segurança, maior vida útil — o que significava que buscávamos materiais melhores e desenvolvíamos projetos de baterias melhores”, disse Fichtner. “Enquanto isso, como existem tantas baterias e as [perspectivas são] enormes, precisamos basear isso em materiais sustentáveis.”

De acordo com Fichtner, grande parte do mundo está desenvolvendo baterias sustentáveis baseadas em matérias-primas não tóxicas que podem ser recicladas — um desenvolvimento que significa tipos de baterias completamente novos.

Química Catódica

Para começar, Fichtner disse que o cobalto na forma de óxido de cobalto (CoO2), que inicialmente era usado na fabricação de cátodos para baterias, foi gradualmente eliminado.

Ilustração de tipos de baterias de íons de lítio mostrando seu conteúdo de níquel, manganês e cobalto. (Imagem: mino21 via Adobe Stock)

“Ainda temos isso em celulares, às vezes em laptops”, disse ele. “Não é uma boa ideia se você quiser construir baterias grandes, porque é caro, é tóxico, vem acompanhado de condições [preocupantes] de mineração e também pode causar algumas situações críticas de segurança.”

O Portal de Substâncias Tóxicas dos Centros de Controle e Prevenção de Doenças dos EUA afirmou que o cobalto pode ser prejudicial quando exposto em grandes quantidades. O órgão também citou agências em todo o mundo que afirmaram que o elemento é provavelmente cancerígeno.

Além disso, informações no site da Global Battery Alliance, que introduziu a ideia de passaportes para baterias , disseram que minas de cobalto na República Democrática do Congo foram associadas ao trabalho infantil e outros abusos dos direitos humanos.

Para se afastar do cobalto, Fichtner disse que os fabricantes de baterias usaram níquel e manganês como substitutos parciais, criando compostos de níquel/manganês/óxido de cobalto (NMC) que são comumente combinados com lítio na criação de baterias.

“O primeiro passo foi que havia apenas um terço de cobalto restante”, disse Fichtner, referindo-se a uma composição normalmente chamada de NMC 111. “E então restaram 20% (NMC 622) e depois 10% (NMC 811).”

Outras formulações de cátodos foram introduzidas desde 2020, eliminando completamente o cobalto, disse Fichtner. Entre elas, estão o fosfato de ferro e lítio (LFP), os chamados cátodos de óxido em camadas NMX, que utilizam níquel e manganês, e os cátodos de óxido de manganês e lítio (LMO).

Evolução dos materiais de ânodo

Os materiais que compõem os ânodos das baterias também mudaram. Fichtner disse que, embora o coque de petróleo e a grafite natural tenham sido e continuem sendo usados, a grafite sintética começou a ganhar espaço.

“O grafite sintético entrou em cena porque o grafite natural vem principalmente da China, e queremos nos tornar independentes”, disse Fichtner.

Ele acrescentou que o futuro provavelmente verá o carbono puro substituído em parte pelo silício.

“O silício é uma liga de lítio e tem uma capacidade 10 vezes maior que a do lítio”, disse Fichtner. “No entanto, ele se expande e contrai, então não é possível usá-lo em sua forma pura. Mas é possível fazer compósitos com ele, o que pode aumentar a capacidade das baterias em 40%.

Melhorias nas células da bateria

Essas mudanças na química das baterias também possibilitaram melhorar os projetos das células das baterias.

“Descobriu-se que a configuração clássica de uma bateria, que estava gravada em pedra há décadas, pode ser alterada”, disse Fichtner.

Uma abordagem tem sido eliminar completamente o ânodo, já que Fichtner afirmou que ele tinha uma capacidade de armazenamento relativamente baixa, ocupando um espaço significativo. Chamadas de células "sem ânodo" ou "sem excesso", Fichtner explicou que o lítio é colocado diretamente no coletor de cobre, criando lítio metálico.

“Em escala laboratorial, as primeiras células já têm densidades energéticas de 710 ou 712 Wh/kg”, disse Fichtner, acrescentando que isso é aproximadamente o dobro da densidade energética das baterias de íons de lítio atualmente disponíveis no mercado, que variam de 340 a 350 Wh/kg. Embora nenhuma empresa tenha comercializado essa tecnologia ainda, Fichtner afirmou que uma empresa chinesa, a Tailan New Energy, afirmou estar trabalhando nela.

“Curiosamente, se você pegar uma célula dessas e colocá-la em um projeto de bateria comum que usamos no momento — substituindo nossas células de bateria, mas por esse tipo de célula — você teria uma autonomia de 1900 km”, disse Fichtner.

Ele acrescentou que a Samsung está trabalhando em um novo design de bateria que toma emprestada a tecnologia de ânodo de excesso zero e a combina com o que é chamado de design cell-to-pack.

“As células são projetadas e acondicionadas de forma muito mais eficiente”, disse Fichtner. “E se combinarmos as duas, eles afirmam obter 500 Wh/kg. Isso é duas vezes mais capacidade em comparação com o modelo de última geração. Eles podem carregar uma bateria de 900 km em nove minutos. Eles alegam uma garantia de 20 anos [e] que não contém líquidos combustíveis. Eles afirmam que o modelo está sendo testado em veículos a bateria e que querem produzi-lo em massa a partir de 2027.”

Design da célula para a embalagem

Sobre o advento da tecnologia de célula para pacote, Fichtner explicou que a bateria atual normalmente contém 12 módulos de 12 células cada, com cada célula tendo aproximadamente o tamanho de uma barra de chocolate grande.

Módulos de bateria de íons de lítio para uma aplicação típica de veículo elétrico. (Imagem: IM Imagery via Adobe Stock)

“O problema é que essa configuração, essa construção, contém apenas 25 a 30% de material de armazenamento ativo”, disse Fichtner. “O resto é embalagem, contêineres, fios, seja lá o que for.”

Alguns fabricantes chineses começaram a abordar esse problema aumentando significativamente o tamanho das células individuais, "não do tamanho de uma barra de chocolate, mas do tamanho de uma placa", disse Fichtner. O resultado foi o design da célula para a embalagem.

“Temos células de 1,2 m de largura que são simplesmente encaixadas em uma estrutura sem fiação extensa”, disse ele. “Elas ganham cerca de 30% de espaço para o material ativo dentro dessa construção. Ao mesmo tempo, o número de peças necessárias para fabricar a bateria é reduzido em 40%.”

Fichtner acrescentou que o design mais eficiente em termos de espaço possibilita o uso de outros materiais de células de bateria, como LFP, que às vezes são menos desejáveis na configuração atual do conjunto de baterias.

Este novo design de célula para bateria foi adotado em 2020 pela montadora chinesa BYD, com autonomia de 600 km. A chinesa Geely também lançou um carro com este design de bateria, com autonomia de 1.000 km.

O hidrogênio enfrenta desafios ao competir com veículos elétricos a bateria Um webinar recente da Mission Hydrogen buscou avaliar os desafios que o hidrogênio enfrenta em relação à mais recente tecnologia de baterias.