Baterias de Estado Sólido de Sódio sem Ânodo Podem Reduzir a Dependência do ‘Triângulo de Lítio’

As Muitas Maneiras de Fazer uma Bateria

Os fabricantes de baterias estão constantemente inovando em uma corrida para criar a melhor tecnologia. Nos últimos anos, isso tem sido impulsionado pelo incentivo de capturar o mercado de veículos elétricos (EV) em constante crescimento e o mercado de baterias de escala de utilidade, que está crescendo ainda mais rápido.

Uma vez baseada na tecnologia de íon de lítio, as baterias estão olhando além deste design para resolver os problemas do Li-ion: muito caro, usando metais raros, riscos de incêndio, etc.

Fonte: Research Gate

Uma alternativa é o íon de sódio, que utiliza sódio em vez de lítio, ao custo de uma densidade de energia mais baixa.

Outra alternativa são as baterias de estado sólido. Ao remover a necessidade de eletrólitos, elas podem ser mais densas e, portanto, requerem menos delas para o mesmo desempenho de VE. As baterias de estado sólido também devem ser muito mais rápidas para carregar.

Outras abordagens mais ousadas não mudam apenas a química, mas a estrutura da bateria em si. Notavelmente, as baterias sem ânodo removem completamente uma parte da bateria.

Os pesquisadores agora estão procurando combinar essas abordagens, notadamente com a publicação recente de um design para a primeira bateria de sódio de estado sólido sem ânodo do mundo.

Bateria de Sódio de Estado Sólido sem Ânodo

Publicada na Nature Energy, com o título ”Princípios de design para permitir uma bateria de sódio de estado sólido sem ânodo“, os pesquisadores da Universidade da Califórnia e da Universidade de Chicago não apenas criaram uma bateria de estado sólido, mas uma que usa sódio em vez de lítio, e sem ânodo.

Bateria de Sódio

O sódio é um íon muito abundante, virtualmente ilimitado nos oceanos, 1.000 vezes mais abundante na crosta terrestre do que o lítio. Isso o torna uma boa alternativa ao lítio.

Isso é importante porque o lítio está atingindo vários limites devido ao boom de VE:

• É muito caro, tornando a eletrificação em si muito cara.
• Sua extração é danosa ao meio ambiente.
• É produzido em apenas alguns lugares do mundo e principalmente refinado na China, causando riscos geopolíticos.

Por ser tão onipresente e abundante, é muito improvável que o sódio experimente a instabilidade de preços e escassez que o lítio experimentou nos últimos anos.

O problema é que as baterias de sódio geralmente não são densas o suficiente para competir com as baterias baseadas em lítio, exceto para modelos de VE de baixo custo.

Bateria sem Ânodo

Normalmente, uma bateria tem um ânodo que armazena os íons enquanto a bateria está carregando. Eles então fluem de volta para o catodo quando a bateria está liberando sua energia.

As baterias sem ânodo armazenam os íons em um depósito eletroquímico de metal alcalino diretamente no coletor de corrente.

Isso permite uma tensão de célula mais alta, um custo de célula mais baixo e uma densidade de energia aumentada.

Fonte: University Of Chicago

O problema com um design sem ânodo é que o coletor de corrente tende a ver um acúmulo de depósito do eletrólito líquido, danificando a bateria.

Bateria de Estado Sólido

As baterias de estado sólido há muito tempo são esperadas para ser a “forma final” de armazenamento de energia baseado em bateria, especialmente para aplicações que exigem mobilidade de alta densidade.

Remover o eletrólito reduz o peso total da bateria e a torna muito mais rápida para carregar e descarregar.

O problema com esses designs é geralmente gerenciar um sistema sólido o suficiente, pois os metais tendem a inchar ao carregar.

Além disso, o problema de crescimento de dendritos que podem criar atalhos (e, portanto, incêndio) está sempre presente, como nas baterias de íon de lítio.

Sódio sem Ânodo em Estado Sólido

No contexto de um design sem ânodo, um problema adicional é que um eletrólito sólido clássico não pode interagir adequadamente com o coletor de corrente.

Os pesquisadores resolveram esse problema usando pó de alumínio como coletor de corrente, que é um sólido que pode fluir como um líquido.

Fonte: University Of Chicago

Muitos Benefícios

Por ser sólido, o eletrólito de alumínio também impede a formação de dendritos, a principal causa da vida útil muito curta das baterias de estado sólido.

Ele também fornece uma interface estável e evita que parte do sódio fique inacessível à corrente, o que reduziria a capacidade da bateria.

Por fim, permite uma densidade de energia alta, com as diferentes opções para essa bateria de sódio em estado sólido variando de 200 a 400 Wh/kg.

Fonte: University Of Chicago

Embora isso seja um pouco menor do que as baterias de estado sólido baseadas em lítio, ainda é muito mais forte do que as baterias atualmente usadas. Combinado com a economia de materiais muito mais baratos, com sódio e alumínio substituindo lítio, cobalto e níquel, pode ser uma combinação vencedora.

O Poder da Combinação

Mesmo alguns anos atrás, a ideia de baterias de sódio ou baterias sem ânodo era apenas um conceito que muitos duvidavam que alcançaria um estágio comercial. O mesmo pode ser dito para as baterias de estado sólido.

Isso está mudando rapidamente para cada uma dessas categorias, bem como para muitas outras químicas e designs potenciais que exploramos em nossos artigos “O Futuro do Armazenamento de Energia – Baterias de Escala de Utilidade” e “O Futuro da Mobilidade – Tecnologia de Bateria”.

Parece que estamos entrando em uma nova etapa, onde os pesquisadores agora estão olhando para todas essas concepções de bateria comprovadas e começando a combiná-las.

Surpreendentemente, isso pode ajudar a superar as limitações individuais de cada ideia.

Nesse exemplo, tanto os problemas de dendritos das baterias de estado sólido quanto o problema de depósito no coletor de corrente do design sem ânodo são resolvidos usando pó de alumínio.

O pó de alumínio sozinho em um design sem ânodo ainda renderia uma densidade muito baixa.

O pó de alumínio em baterias de estado sólido não seria barato o suficiente sem usar sódio.

Enquanto isso, o sódio sozinho é barato, mas não denso o suficiente para atender aos requisitos de mobilidade.

Então, parece que combinar diferentes elementos de design pode ajudar a reunir seus respectivos benefícios, enquanto também remove ou pelo menos atenua seus problemas individuais, criando um conjunto muito maior de oportunidades futuras para químicas de bateria inovadoras do que se pensava anteriormente.

Empresas de Bateria de Sódio

1. CATL

A CATL é a líder global na fabricação de baterias, produzindo mais da metade do volume global de baterias. A empresa está presente em todos os estágios da cadeia de suprimento de fabricação de baterias e é líder em tecnologia de bateria.

Isso é verdade para as baterias de íon de lítio, onde a empresa é uma líder estabelecida há muito tempo. A CATL também anunciou um progresso impressionante em vários outros tipos de baterias:

• Uma bateria de ultra-longa vida de 12.000 ciclos para armazenamento de energia de escala de utilidade, com 18.000 ciclos como meta de longo prazo.
• Uma bateria LFP (Fosfato de Ferro de Lítio) de 700 km que carrega 400 km de alcance em 10 minutos.
• Uma bateria de 500 Wh/kg, potencialmente permitindo a eletrificação de aeronaves de passageiros.
• Produção em massa de baterias de íon de sódio de 160 Wh/kg, com uma meta de 200 Wh/kg.

Fonte: CATL

A empresa está se tornando ativa no mercado de baterias de escala de utilidade, com o anúncio do desempenho de seu sistema TENER. É “o primeiro sistema de armazenamento de energia produzido em massa com zero degradação nos primeiros cinco anos de uso em Pequim, China”.

Energia Imensa em um Espaço Compacto: Contêiner de 20 pés com capacidade de 6,25 MWh

Impulsionado por tecnologias de ponta e capacidades de fabricação extremas, a CATL resolveu os desafios causados por metais de lítio altamente ativos em baterias de zero degradação, o que ajuda a prevenir a corrida térmica causada por reações de oxidação.

A CATL também investiu 3,25 bilhões em capacidades de reciclagem de baterias na China. A CATL notavelmente alcançou uma taxa de recuperação de 99,6% para níquel, cobalto, manganês e 91% para lítio.

Graças à sua escala, foco e realizações em P&D, a CATL provavelmente estará à frente da inovação, fabricação e reciclagem de baterias. Isso a torna um parceiro-chave para os fabricantes de VE, incluindo Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc.

2. BYD

Um desafiador de longa data da Tesla no mercado de VE, a BYD se tornou um concorrente sério não apenas para a Tesla, mas para virtualmente todos os fabricantes de automóveis.

A empresa evoluiu de sua origem como fornecedora de baterias de telefone para vender quase tantos VE quanto a Tesla na China (o maior mercado de VE do mundo) e ser o VE mais vendido em Tailândia, Suécia, Austrália, Nova Zelândia, Singapura, Israel e Brasil.

A BYD é uma grande parte do porquê a China subitamente se tornou o maior exportador de carros do mundo em 2023, superando o Japão. A expansão agressiva da empresa para o exterior também é impulsionada por novas fábricas, como na Hungria.

E com o lançamento de carros de $10.000 a $12.000, como o Seagul, que usa baterias de sódio, um novo mercado pode se abrir para os VE da BYD.

Fonte: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738

Ainda em seu núcleo, um fabricante de baterias, a BYD é um desafiador sério para a CATL no mercado de baterias LFP, com uma participação de mercado de 41,1% na China (em comparação com 33,9% da CATL).

A “inundação” de VE baratos produzidos pela BYD nos mercados europeu e americano provavelmente será recebida com algum nível de protecionismo (mesmo acima dos recentes tarifas impostas), o que pode dificultar o crescimento da BYD.

Mas, ao mesmo tempo, os VE baratos chineses já são um grande sucesso no resto do mundo, que não tem muitos fabricantes de automóveis nacionais para proteger, incluindo toda a América do Sul, Rússia, África, Oriente Médio e Sudeste Asiático.

Isso representa vários bilhões de potenciais clientes para a BYD, que vivem em países ansiosos para manter um equilíbrio geopolítico e permanecer em bons termos com o Ocidente e a China, então é improvável que crie barreiras protecionistas muito fortes.

E, mesmo na UE ou nos EUA, a BYD pode permanecer competitiva, graças aos preços muito mais altos dos fabricantes de VE locais em comparação com os preços na China, bem como a localização da produção fora da China para esses mercados, como, por exemplo, na Europa Oriental, México ou Turquia.