Energia
Baterias de sódio de estado sólido sem ânodo inicial podem reduzir a dependência do «triângulo do lítio»
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As Muitas Maneiras de Fazer uma Bateria
Os fabricantes de baterias procuram melhorar desempenho, custo e segurança. Nos últimos anos, a expansão dos veículos elétricos e do armazenamento de energia em grande escala tem incentivado essa pesquisa.
Além das baterias de íons de lítio, pesquisadores exploram outras químicas e arquiteturas. As limitações variam conforme o projeto: nem toda bateria de lítio contém cobalto ou níquel, e custos e riscos não são iguais em todas as tecnologias.
Fonte: Research Gate
Uma alternativa são as baterias de íons de sódio. Elas utilizam sódio em vez de lítio e, em geral, apresentam menor densidade energética, embora possam oferecer vantagens de custo e disponibilidade de materiais.
Outra alternativa são as baterias de estado sólido. Elas substituem o eletrólito líquido por um sólido, em vez de eliminar o eletrólito. Densidade energética e velocidade de carga dependem do projeto e não melhoram automaticamente.
Outros projetos alteram a arquitetura da célula. Nas chamadas baterias sem ânodo, não há material ativo de ânodo previamente instalado; o metal se deposita durante a carga.
Pesquisadores estão combinando essas abordagens. Um estudo apresentou uma bateria de sódio de estado sólido sem material ativo de ânodo inicial.
Bateria de sódio de estado sólido sem ânodo inicial
O trabalho “Princípios de projeto para viabilizar uma bateria de sódio totalmente sólida sem ânodo inicial”, publicado na Nature Energy, reúne pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego e da Universidade de Chicago.
Bateria de Sódio
O sódio é abundante na crosta terrestre e na água do mar, muito mais que o lítio. Essa disponibilidade o torna interessante para baterias, mas não significa oferta industrial ilimitada ou ausência de impactos de extração.
A expansão dos veículos elétricos chama atenção para algumas limitações da cadeia do lítio:
- Oscilações no preço das matérias-primas podem afetar o custo das baterias.
- A extração e o processamento podem causar impactos ambientais.
- A concentração geográfica da produção e do refino, especialmente na China, cria riscos de fornecimento.
A abundância do sódio pode reduzir certas pressões sobre as matérias-primas. Ainda assim, baterias de sódio também dependem de capacidade industrial, outros materiais e cadeias de fornecimento; seus preços não estão imunes a oscilações.
A menor densidade energética pode limitar aplicações em que peso e autonomia são decisivos. Isso não impede usos em armazenamento estacionário ou em determinados veículos.
O significado de «sem ânodo»
Em uma bateria recarregável convencional, o material ativo do eletrodo negativo recebe os íons durante a carga. Na descarga, eles retornam ao eletrodo positivo.
No projeto sem ânodo inicial, o sódio se deposita como metal diretamente no coletor de corrente durante a carga, formando o eletrodo negativo ativo.
Eliminar o material ativo inicial pode reduzir massa e custo e aumentar a densidade energética. A tensão e o desempenho dependem da química e do projeto completos.
Fonte: University Of Chicago
Um desafio é controlar a deposição e a remoção do metal. Depósitos irregulares e perda de contato podem prejudicar a eficiência e a vida útil.
Bateria de Estado Sólido
As baterias de estado sólido são pesquisadas para aplicações exigentes, inclusive mobilidade. Elas não representam necessariamente uma solução final para todos os tipos de armazenamento.
O eletrólito sólido continua transportando íons. Seu uso pode oferecer vantagens, mas não garante menor peso ou carga mais rápida em qualquer projeto.
Entre os desafios estão o contato entre componentes e as mudanças de volume dos eletrodos durante os ciclos.
A formação de dendritos pode provocar curtos-circuitos. Um eletrólito sólido não elimina automaticamente esse risco nem garante ausência de incêndios.
Combinando sódio, estado sólido e ânodo formado na carga
O estudo enfrentou o problema de manter contato adequado entre o eletrólito sólido, o metal depositado e o coletor de corrente.
Os pesquisadores utilizaram pó de alumínio no coletor de corrente. Sob pressão, ele forma uma estrutura que favorece o contato; não se trata de alumínio fundido ou de um eletrólito de alumínio.
Fonte: University Of Chicago
Muitos benefícios
O alumínio atua como coletor, não como eletrólito. A arquitetura procura favorecer uma deposição uniforme de sódio, sem provar que todos os problemas de dendritos foram eliminados.
Uma interface mais estável pode reduzir a formação de sódio eletricamente isolado, que deixa de contribuir para a capacidade útil.
A faixa de 200–400 Wh/kg corresponde a estimativas teóricas para diferentes configurações, não ao desempenho demonstrado de um conjunto comercial de baterias.
Fonte: University Of Chicago
A combinação de sódio abundante com um coletor de alumínio é promissora. Comparações com baterias comerciais exigem medições equivalentes de capacidade, massa, ciclos, segurança e custo.
O Poder da Combinação
Baterias de sódio, de estado sólido e sem ânodo inicial têm níveis diferentes de maturidade. A existência de um protótipo ou de produção em uma categoria não demonstra a viabilidade comercial de todas as combinações.
Exploramos outras tecnologias nos artigos “O futuro do armazenamento de energia: baterias em grande escala” e “O futuro da mobilidade: tecnologias de baterias”.
Combinar diferentes conceitos pode abrir caminhos de pesquisa. Isso não significa que cada componente já esteja plenamente validado para fabricação em larga escala.
Uma combinação pode reduzir algumas limitações, mas também introduzir novas exigências de fabricação e operação.
Neste caso, o coletor de alumínio ajuda a lidar com a interface e a deposição do metal. O resultado não deve ser generalizado como solução definitiva para todos os problemas de baterias sólidas ou sem ânodo inicial.
O coletor, isoladamente, não determina a densidade energética: eletrodos, eletrólito e demais componentes também importam.
Da mesma forma, a viabilidade econômica depende do projeto completo e da fabricação, não apenas da presença de sódio ou alumínio.
O sódio pode favorecer o custo das matérias-primas. Sua adequação à mobilidade depende dos requisitos do veículo e do desempenho da célula.
Integrar elementos de projeto pode reunir vantagens e reduzir limitações específicas. O avanço precisa ser acompanhado de testes de durabilidade, segurança e possibilidade de produção.
Empresas de Baterias de Sódio
1. CATL
A CATL foi líder mundial nas instalações de baterias para veículos elétricos em 2023, com participação de 36,8%. Isso é diferente de produzir mais da metade de todas as baterias do mundo.
Além das baterias de íons de lítio, a empresa anunciou desenvolvimentos em diferentes tecnologias:
- Uma bateria de armazenamento estacionário anunciada com vida útil de 12.000 ciclos e meta de longo prazo de 18.000 ciclos.
- Uma bateria LFP anunciada para até 700 km de autonomia, com carga capaz de acrescentar 400 km em 10 minutos sob condições especificadas.
- Uma bateria condensada anunciada com até 500 Wh/kg, visando também aplicações aeronáuticas.
- Baterias de íons de sódio de primeira geração anunciadas com 160 Wh/kg e objetivo posterior de 200 Wh/kg.
Fonte: CATL
Em abril de 2024, a CATL apresentou em Pequim o TENER, sistema de armazenamento que a empresa anunciou como apto à produção em massa e projetado para não apresentar degradação de capacidade e potência nos primeiros cinco anos. Era uma alegação de desempenho no lançamento, não um histórico de cinco anos de uso comercial.
Sistema anunciado em contêiner de 20 pés com capacidade de 6,25 MWh.
Segundo a CATL, o projeto combina materiais e processos destinados a reduzir a degradação e o risco de fuga térmica. Isso não equivale a uma garantia de risco zero.
A CATL anunciou em 2023 um investimento de 3,25 bilhões de euros em reciclagem na China. A empresa também informou taxas de recuperação de 99,6% para níquel, cobalto e manganês e 91% para lítio, referentes aos seus processos.
A escala e as atividades de pesquisa da CATL ajudam a explicar suas relações com fabricantes como Tesla (TSLA ), NIO, Ford e Stellantis. Parcerias não garantem liderança futura ou retorno financeiro.
2. BYD
A BYD, que começou no setor de baterias, tornou-se uma concorrente importante no mercado de veículos elétricos e híbridos recarregáveis.
A empresa passou de fornecedora de baterias para telefones a uma grande fabricante de veículos na China e em mercados internacionais. Comparações com a Tesla e posições em países como Tailândia, Suécia, Austrália, Nova Zelândia, Singapura, Israel e Brasil variam conforme o período, o modelo e a categoria considerados.
A BYD contribuiu para a expansão das exportações chinesas de automóveis. A internacionalização também incluiu o anúncio de novas fábricas, como a instalação planejada na Hungria; um anúncio não significa que a fábrica já estivesse operando em 2024.
Modelos como o Seagull foram apresentados com preços na faixa de US$ 10.000–12.000 na China, conforme versão e câmbio. O Seagull utiliza baterias Blade de fosfato de ferro-lítio, não baterias de sódio. Preços chineses não correspondem automaticamente aos preços de exportação.
Fonte: Por User3204 – Trabalho próprio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=142412738
A BYD também concorre com a CATL em baterias LFP. Os percentuais de 41,1% e 33,9% citados para o mercado chinês precisam ser entendidos no período e segmento de origem; não são participações mundiais atuais de todas as baterias.
A expansão internacional de veículos chineses pode enfrentar tarifas e outras barreiras comerciais, afetando custos e crescimento.
América do Sul, Rússia, África, Oriente Médio e Sudeste Asiático oferecem mercados diversos. Não é correto tratá-los como um bloco sem fabricantes locais, concorrência ou políticas industriais.
Uma população de bilhões de pessoas não equivale a bilhões de compradores potenciais imediatos. Renda, infraestrutura, concorrência e regras comerciais influenciam a demanda; não há garantia de ausência de protecionismo.
A produção fora da China pode mudar a competitividade, mas cada projeto tem um estágio próprio. Hungria, México e Turquia não devem ser apresentados como fábricas já operacionais e equivalentes em 2024. Preços, tarifas e custos locais continuam decisivos.
