Baterias de Hidrogênio que Funcionam no Frio

Antes vistas como fontes de energia simples, as baterias hoje ocupam o coração da transformação de energia limpa do mundo como uma das tecnologias de crescimento mais rápido que moldam nosso futuro.

Entre os tipos de bateria, as baterias de íon‑lítio são a escolha preferida para alimentar tudo, desde telefones celulares até veículos elétricos (EVs).

As baterias de íon‑lítio surgiram comercialmente no início da década de 1990, mas a demanda por elas cresceu exponencialmente na última década, passando de apenas 0,5 gigawatt‑hora (GWh) em 2010 para cerca de 526 GWh uma década depois.

Uma queda de quase 90 % nos custos das baterias de íon‑lítio, de aproximadamente US$ 1.400 por kWh em 2010 para US$ 140 por kWh em 2023, combinada com avanços na densidade de energia e na vida útil de ciclos, reforçou sua dominância em aplicações de veículos elétricos e armazenamento de energia.

Um grande problema das baterias recarregáveis, como as células de íon‑lítio, porém, é que elas não gostam do frio.

Por que as Baterias Falham no Frio (e Como os Engenheiros Corrigem Isso)

As baterias apresentam desempenho ruim em condições frias. Isso ocorre devido às reações eletroquímicas internas que desaceleram em temperaturas abaixo de zero.

A maioria das baterias tem três partes principais:

• Eletrodos
• Eletrólito
• Separador

Existem dois eletrodos em uma bateria, e ambos são feitos de materiais condutores. Um eletrodo, conhecido como cátodo, conecta‑se ao terminal positivo da bateria, e é onde a corrente elétrica sai da bateria durante a descarga. O outro eletrodo, conhecido como ânodo, conecta‑se ao terminal negativo da bateria, e é onde a corrente elétrica entra na bateria durante a carga. 

Os dois são mantidos separados pelo separador para evitar um curto‑circuito. Entre esses eletrodos há um eletrólito líquido, que contém partículas carregadas eletricamente, ou íons. Ao combinar‑se com os materiais que compõem os eletrodos, o eletrólito produz reações químicas que permitem à bateria gerar corrente elétrica.

No caso das baterias de íon‑lítio, o eletrólito costuma ser um sal de lítio em solução que transfere partículas portadoras de carga (íons) entre os eletrodos da bateria. Mas quando está frio, os íons desaceleram e não conseguem interagir adequadamente com os eletrodos, afetando a capacidade da bateria de gerar corrente antes de se esgotar. 

Além disso, se muito lítio for depositado em um eletrodo, isso pode levar a um curto‑circuito e causar um incêndio.

Portanto, o clima frio afeta severamente a vida útil da bateria. Tanto a eficiência quanto a capacidade utilizável de uma bateria são reduzidas de forma significativa. Uma pesquisa da AAA do ano passado mostrou que a queda de autonomia no inverno e as preocupações sobre carregamento mais lento têm contribuído para a desaceleração do impulso dos EVs.

Para superar esse problema, empresas ao redor do mundo têm trabalhado em novas e melhores químicas de bateria. 

Por exemplo, a gigante chinesa de baterias CATL anunciou a segunda geração de sua bateria de íon‑sódio, que pode descarregar em temperaturas tão baixas quanto menos 40 °C e apresenta medidas de segurança aprimoradas, visando superar 200 Wh/kg em densidade de energia.

Embora as baterias de íon‑sódio sejam consideradas mais seguras e mais resistentes ao frio que as de íon‑lítio, elas têm menor densidade de energia e custos de produção mais altos.

Enquanto isso, engenheiros da Universidade de Michigan desenvolveram um processo de fabricação modificado¹ para baterias de EVs que permite altas autonomias e carregamento rápido em clima frio.

A equipe criou caminhos de 50 micrômetros no ânodo e aplicou um revestimento de 20 nm de um material vítreo de lítio‑bórax‑carbonato para impedir a formação de placas de lítio nos eletrodos da bateria. Baterias de íon‑lítio para EVs feitas com essas modificações podem carregar 500 % mais rápido a 14 °F (-10 °C) e manter 97 % de sua capacidade mesmo após 100 ciclos de carregamento rápido nessas temperaturas baixas.

“Pela primeira vez, demonstramos um caminho para alcançar carregamento extremamente rápido em baixas temperaturas, sem sacrificar a densidade de energia da bateria de íon‑lítio.”

– Co‑autor Neil Dasgupta, professor associado de engenharia mecânica e ciência e engenharia de materiais da U‑M

Outros estão otimizando formulações de eletrólitos e modificando materiais de ânodo, desenvolvendo tecnologias de bateria especializadas, incorporando isolamento mais espesso com aquecedores integrados, propondo carregamento inteligente controlado por temperatura², e apresentando um algoritmo de controle preditivo³ para ajustar a temperatura da bateria, entre outras soluções.

Em meio a esses avanços contínuos em materiais, eletrólitos e outras tecnologias para enfrentar os desafios das baterias em clima frio, cientistas também estão explorando sistemas alternativos de armazenamento de energia, como baterias baseadas em hidrogênio.

Baterias de Hidrogênio: Como Funcionam e Por Que São Importantes

O hidrogênio é uma fonte de energia limpa que, quando consumida em uma célula de combustível, produz apenas água. É um transportador de energia que pode armazenar e entregar energia gerada por outras fontes.

O elemento químico mais abundante no universo, o hidrogênio pode ser produzido a partir de gás natural, biomassa e energia nuclear, bem como de fontes renováveis como vento e solar.

Este gás incolor, inodoro e altamente inflamável também é um componente chave da água e de todos os compostos orgânicos.
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O hidrogênio é, na verdade, um componente chave do Sol. Ele é convertido em energia por meio do processo de fusão nuclear em seu núcleo. Sob imensa pressão e calor, átomos de hidrogênio se fundem para formar hélio, liberando enormes quantidades de energia. Essa energia então viaja para fora através das camadas do Sol e irradia ao espaço como luz e calor. 

Na Terra, o hidrogênio é uma opção de combustível atraente e oferece maior vida útil de bateria em comparação com baterias de íon‑lítio. 

Para avaliar o desempenho técnico e financeiro de um sistema de armazenamento de bateria de hidrogênio e de uma bateria de íon‑lítio, pesquisadores da Universidade de New South Wales (UNSW) avaliaram⁴ dois sistemas comercialmente disponíveis, LAVO e Tesla (TSLA ) Powerwall 2. Eles descobriram que o primeiro tem mais perdas de energia. 

Entretanto, as baterias de hidrogênio foram encontradas com menor degradação de capacidade e maior densidade de energia que as baterias de íon‑lítio, permitindo armazenar mais energia por um período mais longo. Sua capacidade de suportar 18 % mais ciclos de carga‑descarga que a bateria de íon‑lítio as torna “adequadas para aplicações remotas que requerem armazenamento de energia de longa duração”.

Um estudo separado da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) desenvolveu um novo sistema de bateria química⁵ para um futuro mais seguro e sustentável para sistemas alimentados por bateria.

Enquanto as baterias baseadas em hidrogênio atuais utilizam H₂ como cátodo, o que limita sua faixa de tensão e capacidade de armazenamento, a equipe da USTC propôs utilizá‑lo como ânodo. O time desenvolveu um protótipo, apresentando um ânodo de lítio, um eletrólito sólido e uma camada de difusão de gás revestida de platina atuando como cátodo de hidrogênio.

A equipe relata energia específica teórica de até 2.825 Wh/kg, descarga de ~3 V e eficiência de ciclo completo de 99,7 % em sua configuração Li‑H — indicando forte potencial, embora o valor de 2.825 Wh/kg não seja uma medição realizada em nível de pack.

Para melhorar sua relação custo‑benefício, o time construiu uma bateria Li‑H sem ânodo. Aqui, a deposição de lítio foi obtida a partir de sais de lítio durante a carga. A versão aprimorada permite deposição e remoção eficientes de lítio e opera de forma estável mesmo em baixas concentrações de hidrogênio, reduzindo a dependência de armazenamento de hidrogênio sob alta pressão.

Comparada às baterias de níquel‑hidrogênio convencionais, o sistema Li‑H oferece densidade de energia e eficiência aprimoradas, abrindo caminho para futuras explorações de aplicações da tecnologia Li‑H.

Apesar das muitas vantagens do hidrogênio para armazenamento de energia limpa, armazená‑lo não é fácil. De fato, o armazenamento é um grande desafio no uso do hidrogênio.

O Eletrólito de Hidreto Ba–Ca–Na que Desbloqueia o Armazenamento de Hidrogênio em Baixa Temperatura

Armazenar hidrogênio requer temperaturas extremamente baixas (−252,8 °C) ou altas pressões (350 a 700 bar), ou ambos. Armazená‑lo em estado sólido evita os riscos de segurança associados a tanques de gás de alta pressão, mas encontra limitações materiais em baixas temperaturas.

Para enfrentar isso, pesquisadores do Institute of Science Tokyo (Science Tokyo) exploraram o armazenamento eletroquímico de hidrogênio mediado por íons de hidreto, o que os levou a descobrir um promissor eletrólito sólido condutor de íons de hidreto⁶ a partir de um sistema de hidreto de bário, cálcio e sódio.

Combinar íons de tamanhos diferentes tem sido relatado como gerador de condutividade superiônica, e foi nessa busca que os pesquisadores decidiram combinar seus íons: BaH₂‑CaH₂‑NaH.

O eletrólito sólido resultante, do tipo anti‑α‑AgI Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅, possui excelente estabilidade eletroquímica e condutividade de íons hidreto (H⁻). 

É notável que a estabilidade eletroquímica realmente permite acoplamento flexível com muitos eletrodos de metal‑hidreto. Assim, o eletrólito funciona bem com vários eletrodos metal‑hidrogênio, como hidreto de titânio e hidreto de magnésio (MgH₂), possibilitando armazenamento de hidrogênio reversível e de alta capacidade em baixas temperaturas.

Nos experimentos iniciais, os pesquisadores testaram seu eletrólito em um sistema onde ele foi colocado entre TiH₂ (dihidreto de titânio é um composto de titânio e hidrogênio) e eletrodos de referência de titânio, além de coletores de corrente de negro de acetileno e molibdênio. 

Isso permitiu aos pesquisadores encontrar a janela de potencial estável do eletrólito sólido, que é a melhor já relatada.

Uma alta condutividade de H⁻ também foi relatada pelos pesquisadores, devido à estrutura cúbica de corpo centrado (bcc) do eletrólito. Essa estrutura tem menor densidade de empacotamento, proporcionando “um caminho aberto para o transporte de íons”. Cátions altamente polarizáveis na estrutura também contribuíram para a alta condutividade iônica.

Em seguida, para testar as capacidades de armazenamento de hidrogênio de seus eletrólitos, os pesquisadores produziram uma célula usando MgH₂.

MgH₂ é um composto químico estudado para armazenamento de hidrogênio devido à sua alta capacidade e baixo custo. Este material pode ser integrado a um sistema semelhante a bateria onde o hidrogênio é armazenado e liberado durante carga e descarga. No entanto, seu uso tem sido limitado por reações colaterais indesejáveis, baixa reversibilidade de absorção e liberação de hidrogênio, e a necessidade de temperaturas tão altas quanto 300 °C ou mais.

Mas os pesquisadores conseguiram fazer células Mg‑H₂ funcionarem como dispositivos de armazenamento de hidrogênio, demonstrando uma capacidade de 2.030 mAh/g a 90 °C.

De 300–400 °C a ~90 °C: Uma Bateria de Hidrogênio Prática de Baixa Temperatura

A nova bateria de hidrogênio dos pesquisadores do Science Tokyo superou as limitações de baixa capacidade e altas temperaturas dos métodos anteriores. Em vez de operar a 300‑400 °C (572‑752 °F), que é necessário para as abordagens atuais de armazenamento sólido de hidrogênio, esta bateria opera a 90 °C (194 °F).

A bateria funciona migrando íons hidreto através de um eletrólito sólido, permitindo que o hidreto de magnésio (MgH₂) armazene e libere hidrogênio repetidamente com capacidade total.

Com esse desenvolvimento, os pesquisadores oferecem uma forma prática de armazenar combustível de hidrogênio, abrindo caminho para veículos movidos a hidrogênio e sistemas de energia limpa.

“Demonstramos a operação de uma bateria Mg‑H₂ como um dispositivo seguro e eficiente de armazenamento de energia de hidrogênio, alcançando alta capacidade, baixa temperatura e absorção/liberação reversível de gás hidrogênio.”

– Professor Assistente Naoki Matsui

Embora baterias de hidrogênio com componentes de estado sólido já existam, elas exigem altas temperaturas de operação. A nova bateria de hidrogênio, porém, pode alcançar a capacidade teórica total do ânodo MgH₂ e alta condutividade iônica à temperatura ambiente. Isso se deve ao eletrólito sólido Ba₀.₅Ca₀.₃₅Na₀.₁₅H₁.₈₅.

Feito de bário (Ba), cálcio (Ca) e hidreto de sódio (NaH), o eletrólito pode mover íons hidreto (H⁻) eficientemente.

Ele possui uma estrutura cristalina (tipo anti‑α‑AgI), conhecida por sua condutividade superiônica. Nessa estrutura, Ba, Ca e Na ocupam posições de corpo centrado, enquanto os íons hidreto se deslocam por sítios octaédricos e tetraédricos compartilhados, permitindo sua migração livre. 

Esta nova bateria funciona como uma de Li‑Ion, mas em vez de mover íons positivos através do eletrólito, utiliza íons hidreto que carregam carga negativa e podem atravessar sua estrutura cristalina.

A bateria usa hidreto de magnésio (MgH₂) como ânodo e gás hidrogênio (H₂) como cátodo. 

Durante a carga, o ânodo MgH₂ libera íons hidreto, que migram através do novo eletrólito até o cátodo, onde são oxidado para liberar gás hidrogênio.

O processo se inverte durante a descarga, o gás hidrogênio no cátodo é reduzido a íons hidreto, por meio de uma reação química, que atravessa o eletrólito até o ânodo, onde reage com Mg formando MgH₂. A reação de oxidação‑redução (redox) faz com que o ânodo carregado negativamente perca elétrons, que fluem através de um circuito externo para o cátodo com carga neta positiva, entregando energia aos sistemas conectados.

Isso permite que a célula de estado sólido armazene e também libere H₂ quando necessário a temperaturas ligeiramente abaixo do ponto de ebulição da água.

Usando esta célula, os pesquisadores atingiram a capacidade de armazenamento teórica total do MgH₂ em ciclos repetidos. A capacidade de 2.030 mAh por grama é muito superior à das baterias de íon‑lítio, que variam entre 154 e 203 mAh por grama.

“Essas propriedades da nossa bateria de armazenamento de hidrogênio eram anteriormente inalcançáveis por métodos térmicos convencionais ou eletrólitos líquidos, oferecendo uma base para sistemas de armazenamento de hidrogênio eficientes adequados como portadores de energia.”

– Takashi Hirose, autor principal do estudo e professor associado no Instituto de Pesquisa Química da Universidade de Kyoto (ICR)

Embora a bateria ainda não esteja pronta para uso em nossos itens cotidianos, isso representa um avanço no armazenamento de energia de hidrogênio a temperaturas muito mais baixas do que antes , abrindo caminho para baterias de hidrogênio mais eficientes e fáceis de armazenar. 

Isso pode levar a baterias de hidrogênio substituindo as pesadas baterias de íon‑lítio, que degradam e apresentam eficiência reduzida ao longo do tempo, em carros elétricos.

Além disso, ao permitir o armazenamento de hidrogênio sem necessidade de sistemas de alta pressão, resfriamento extremo ou altas temperaturas de operação, este novo design de bateria pode apoiar o uso do hidrogênio como fonte de energia verde e acelerar a transição contínua rumo à energia limpa.

Os pesquisadores agora planejam desenvolver eletrólitos sólidos e materiais de eletrodo com maior condutividade iônica. Também trabalharão em designs de dispositivos com temperaturas de operação mais baixas e eficiência energética aprimorada.

Investindo em Tecnologia de Bateria de Hidrogênio

Bloom Energy Corporation (BE ) está envolvida no design e fabricação de células de combustível de óxido sólido (SOFCs). Seu sistema de célula de combustível fornece geração de eletricidade no local para fabricação de semicondutores, data centers, grandes concessionárias e outros setores. Já implantou um total de 1,5 GW de potência em mais de 1.200 instalações globalmente. 

A empresa possui dois produtos: o Bloom Electrolyzer para produção de hidrogênio e o Bloom Energy Server para geração de eletricidade.

Quanto ao desempenho de mercado da Bloom, ela tem desfrutado de um enorme rali este ano. Até 391 % de alta no ano, as ações BE atingiram um recorde histórico (ATH) de US$ 125,75 apenas este mês. Com isso, possui um EPS (TTM) de 0,11 e um P/E (TTM) de 1.013,28.

Sobre a posição financeira da empresa, a Bloom reportou receita de US$ 401,2 milhões no 2T de 2025, alta de 19,5 % em relação ao mesmo trimestre do ano passado. Sua margem bruta foi de 26,7 % e a margem bruta non‑GAAP foi de 28,2 % enquanto seu prejuízo operacional foi de US$ 3,5 milhões nesse período.

“À medida que a energia no local se torna cada vez mais evidente, dado o rápido crescimento da IA, nunca houve uma demanda de mercado melhor para os produtos Bloom. Ao contrário de alternativas, nossos produtos são projetados especificamente para a revolução digital.”

– Fundador e CEO KR Sridhar

Após colaborar com a Oracle (ORCL ) para fornecer energia no local a seus data centers de IA, a Bloom Energy agora se associou à Brookfield (NYSE: BAM), que investirá até US$ 5 bilhões para implantar sua tecnologia de célula de combustível. Juntas, as duas estão “criando um novo plano para alimentar IA em escala”.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Bloom Energy Corporation (BE)

Conclusão

Com sua alta eficiência energética, alta densidade de energia e longa vida útil de ciclo, as baterias de íon‑lítio tornaram‑se uma escolha popular para veículos elétricos, bem como para armazenamento de energia. Mas, claro, o clima frio representa um grande desafio para essas baterias, causando queda em sua capacidade e eficiência. 

À medida que cientistas e empresas ao redor do mundo avançam em designs de bateria de próxima geração, o hidrogênio tem ganhado destaque como transportador de energia e combustível do futuro.

A nova bateria de hidrogênio com eletrólito sólido marca um marco ao conseguir armazenar e liberar hidrogênio a temperaturas extremamente baixas, quatro vezes mais frias que modelos anteriores. Ao possibilitar operação estável e capacidade teórica total, esse avanço pode viabilizar a criação de baterias mais densas e duradouras para EVs, melhorando significativamente seu desempenho em climas extremos.

Clique aqui para uma lista das principais ações de baterias.

Referências:

1. Cho, T. H., Chen, Y., Liao, D. W., Kazyak, E., Penley, D., Jangid, M. K., & Dasgupta, N. P. (2025). Capacitando carregamento rápido 6C de baterias de Li‑ion em temperaturas abaixo de zero via engenharia de interface e arquiteturas 3D. Joule, 9(5), 101881. https://doi.org/10.1016/j.joule.2025.101881
2. Ruan, G., & Dahleh, M. A. (2025). Carregamento Inteligente Controlado por Temperatura para Veículos Elétricos em Climas Frios. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.01105
3. Lu, Z., Tu, H., Fang, H., Wang, Y., & Mou, S. (2024). Carregamento Rápido Ótimo Integrado e Gerenciamento Térmico Ativo de Baterias de Li‑ion em Temperaturas Ambientais Extremas. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.04358
4. Hassan, M. U., Bremner, S., Menictas, C., & Kay, M. (2024). Avaliação de baterias de hidrogênio e íon‑lítio em sistemas de energia solar fotovoltaica em telhados. Journal of Energy Storage, 86(Part A), 111182. https://doi.org/10.1016/j.est.2024.111182
5. Liu, Z., Ma, Y., Khan, N. A., Jiang, T., Zhu, Z., Li, K., Zhang, K., Liu, S., Xie, Z., Yuan, Y., Wang, M., Zheng, X., Sun, J., Wang, W., Meng, Y., Xu, Y., Chuai, M., Yang, J., & Chen, W. (2025). Baterias recarregáveis de gás lítio‑hidrogênio. Angewandte Chemie International Edition, 64(7), e202419663. https://doi.org/10.1002/anie.202419663
6. Hirose, T., Matsui, N., Itoh, T., Hinuma, Y., Ikeda, K., Gotoh, K., Jiang, G., Suzuki, K., Hirayama, M., & Kanno, R. (2025). Armazenamento de hidrogênio de alta capacidade e reversível usando eletrólitos sólidos condutores de H⁻. Science, 389(6766), 1252–1255. https://doi.org/10.1126/science.adw1996