Energia
Avanço em Baterias Aproxima as Variantes de Estado Sólido de uma Realidade
Baterias de Estado Sólido para Dominar os Veículos Elétricos
Embora as baterias de íons de lítio tenham se tornado a solução dominante para os sistemas de baterias de veículos elétricos, elas apresentam algumas limitações.
Uma delas ainda não possui uma densidade de energia ideal, e outra é um problema de segurança ligado ao crescimento de dendritos que perfuram a bateria e ao eletrólito que às vezes pega fogo.
Fonte: Nobel Prize
Espera‑se que ambos os problemas sejam atenuados com baterias de estado sólido, que eliminam a necessidade de eletrólitos e o risco de dendritos.
A Toyota prevê o uso dessas baterias de estado sólido até 2027, e, no geral, parece um candidato sólido para o futuro da mobilidade.
Ainda assim, persiste um problema, notadamente com o eletrólito sólido do tipo granada, também conhecido como Li7La3Zr2O12 ou LLZO (veja abaixo).
Portanto, é uma boa notícia que quatro pesquisadores da Universidade McGill, no Canadá, anunciaram que criaram um novo design de LLZO que pode fornecer uma quantidade aumentada de energia. Eles publicaram seus resultados na Cell Reports Physical Science em um artigo intitulado “Baterias de lítio metálico baseadas em granada totalmente de estado sólido de 4,8 V com interface estável”.
Eletrólito de Estado Sólido
LLZO
costuma‑se dizer que baterias de estado sólido não precisam de eletrólitos. Isso está tecnicamente correto quando se refere ao eletrólito líquido comumente usado em baterias de íons de lítio.
Mas, claro, qualquer bateria ainda precisa de algum tipo de ponte entre o ânodo e o cátodo para funcionar. Existem três tipos de eletrólitos de estado sólido (SEs): cerâmicos, polímeros e SEs compostos (CSEs).
Os eletrólitos de estado sólido compostos (CSEs) misturam SE de polímero com preenchimentos inorgânicos condutores iônicos como Li7La3Zr2O12 (LLZO) para facilitar o transporte de íons de lítio.
Embora esse método seja ideal para operação de alta tensão em baterias densas, ele sofre com mau contato com o eletrodo, reduzindo a eficiência geral.
LLZO Poroso
O que os pesquisadores descobriram é que o LLZO pode ser feito a partir de uma membrana cerâmica porosa, em vez da placa densa usual. Em termos mais técnicos:
Aqui, projetamos um eletrólito sólido composto baseado em granada altamente condutor e amigável à interface, compreendendo uma estrutura porosa cúbica de Li6.1Al0.3La3Zr2O12 e poli‑fluoreto de vinilideno (PVDF) com uma estrutura contínua tridimensional.
Visualmente, isso se traduz em uma estrutura 3D muito complexa, cheia de pequenos furos em escala microscópica:
Fonte: Cell
Isso cria muito contato de superfície para o íon de lítio, ao mesmo tempo que oferece forte aderência ao eletrodo.
Fonte: Cell
Baterias Mais Estáveis e Duráveis
Baterias de estado sólido são, em geral, muito mais potentes e densas em energia que baterias de íons de lítio. Mas têm sido difíceis de fabricar em escala para que possam durar muitos ciclos de carga‑descarga sem perder capacidade.
Portanto, os pesquisadores testaram as baterias para ver se a interface do eletrodo que criaram era tão robusta quanto esperavam.
Após 200 ciclos, eles a estudaram sob microscópio e não encontraram vestígios de degradação, como fissuras, delaminação etc.
Fonte: Cell
No geral, o protótipo de bateria demonstra excelente resistência, especialmente contra a formação de dendritos.
Células simétricas Li‑Li baseadas no CSE cerâmico podem ciclar de forma estável por 1.000 h a 0,1 e 0,5 mA cm⁻², indicando excelente estabilidade eletroquímica contra o metal de lítio e até mesmo a deposição de Li⁺ (supressão de dendritos).
Perfil de Segurança Melhorado
A formação drasticamente reduzida de dendritos, bem como a ausência de eletrólitos inflamáveis, devem ajudar a aumentar significativamente a segurança das baterias de lítio.
Como a espessura do CSE baseado em cerâmica é de apenas 125 μm, isso também torna a tecnologia muito competitiva para criar baterias de estado sólido com alta densidade de energia.
Também deve ser observado que, embora não seja simples, a técnica usada para criar o LLZO aprimorado não requer metais raros, maquinário raro ou etapas complexas fora do comum na fabricação de baterias.
Fonte: Cell
Portanto, no geral, este deve ser um passo importante para melhorar ainda mais as características das baterias de estado sólido em todos os aspectos relevantes: estabilidade, segurança, densidade de energia e facilidade de produção.
As Baterias de Estado Sólido Estão Vencendo?
Não se pode afirmar que as baterias de estado sólido certamente se tornarão o novo padrão para baterias de veículos elétricos nos próximos anos.
Baterias de íons de lítio também podem competir. Isso está principalmente ligado à melhoria no design, com nanoporos semelhantes ajudando a reduzir a formação de dendritos.
Mais notavelmente, as baterias em favo de mel desenvolvidas pelo líder global de fabricação de baterias CATL podem alcançar um perfil de segurança e densidade de energia semelhantes a algumas baterias de estado sólido.
No geral, parece que uma compreensão mais profunda do material das baterias, especialmente em escala micro e nano, e o uso de nanoporos será o caminho a seguir para continuar melhorando o desempenho das baterias e eliminar de vez o risco causado pela formação de dendritos.
Investindo em Tecnologia de Baterias
Baterias de lítio já mudaram o mundo várias vezes, permitindo que as pessoas carreguem eletrônicos avançados em qualquer lugar e alimentando carros apenas com eletricidade.
Elas ainda podem fazer isso novamente, ou outros tipos de baterias, permitindo uma rede elétrica 100 % renovável ou a eletrificação de aviões ao alcançar uma densidade de energia suficientemente alta.
Você pode investir em empresas relacionadas a baterias através de várias corretoras, e pode encontrar aqui, no securities.io, nossas recomendações das melhores corretoras nos EUA, Canadá, Austrália, Reino Unido, bem como em muitos outros países.
Se você não tem interesse em escolher empresas específicas de baterias, pode também olhar para ETFs de biotecnologia como Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), o Lithium & Battery Tech ETF (LIT) da Global X, ou o WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF, que proporcionarão uma exposição mais diversificada para capitalizar sobre a crescente indústria de baterias.
Empresas de Estado Sólido
(QS )
Há muito tempo esperada como uma das primeiras empresas a levar baterias de estado sólido ao mercado, a QuantumScape tem estado na vanguarda do desenvolvimento dessa tecnologia.
As baterias da QuantumScape utilizam lítio metálico, baterias sem ânodo.
Baterias sem ânodo, por sua vez, armazenam os íons em um depósito eletroquímico de metal alcalino diretamente no coletor de corrente. Isso permite maior tensão da célula, menor custo da célula e maior densidade de energia.
Fonte: QuantumScape
(também discutimos o conceito de baterias sem ânodo no contexto de baterias de sódio em “Baterias Sólidas de Sódio Sem Ânodo Podem Reduzir a Dependência do ‘Triângulo do Lítio’”).
No entanto, a QuantumScape tem adiado regularmente a data esperada de produção em massa de suas baterias, atenuando o entusiasmo inicial dos investidores na empresa.
Isso pode estar mudando com alguns desenvolvimentos chave em 2023 & 2024:
- Melhoria na consistência e qualidade da produção.
- Melhoria no design de embalagem, incluindo margens internas mais apertadas, coletores de corrente mais finos e estrutura mais enxuta.
- Envio de unidades de célula com alta carga de cátodo para parceiros OEM (Fabricante Original de Equipamento) automotivos.
- Anunciado o lançamento do QSE-5, o primeiro produto comercial da empresa, com um cliente potencial de lançamento no setor automotivo.
No geral, a QuantumScape parece ser de longe a empresa de estado sólido com a tecnologia mais madura, especialmente no que diz respeito à durabilidade da bateria.
Fonte: QuantumScape
Acordo com a Volkswagen
Mais importante, a empresa está mostrando progresso real ao estabelecer uma parceria com a Volkswagen, a segunda maior montadora do mundo.
Em julho de 2024, a QuantumScape assinou com a Volkswagen um acordo para colaborar na fabricação de células de bateria baseadas no design QSE-5.
A licença permitiria à PowerCo fabricar e vender baterias automotivas de até 40 GWh por ano, expansível em mais 40 GWh.
Trata‑se de uma licença de propriedade intelectual não exclusiva, com royalties, permitindo que a QuantumScape continue vendendo a quaisquer outros clientes potenciais.
Talvez mais importante para aliviar as ansiedades dos investidores sobre a empresa, isso também concederá uma taxa de royalties inicial de US$ 130 milhões, creditada contra royalties futuros, paga pela PowerCo, subsidiária de baterias da Volkswagen.
Isso dá à empresa um prazo de caixa adicional de 18 meses em comparação com a orientação anterior, estendendo-se bem até 2028.
Deve ser tempo mais que suficiente para acelerar a produção e começar a registrar receitas sólidas.
Portanto, enquanto as baterias da QuantumScape apresentarem desempenho adequado, elas deverão encontrar seu nicho no mercado ao lado de baterias fabricadas por empresas maiores como CATL, BYD e Panasonic.
Considerando que a Volkswagen provavelmente testou extensivamente seus próprios protótipos da QuantumScape e estudou o aumento da produção, o acordo recente parece ser um forte endosso à tecnologia da empresa.
Fonte: QuantumScape
Além disso, o prazo paralelo de 2027 da Toyota para a comercialização de baterias de estado sólido parece indicar que, após muitas tentativas falhas, a tecnologia agora está atingindo um ponto em que é suficientemente madura.
