Projetando uma Bateria Melhor – Fora o Cobalto e Dentro…TAQ?

Researchers at the Massachusetts Institute of Technology (MIT) have recently desenvolveram a new type of battery technology that forgoes the need for precious metals.  In their place? An organic cathode known as bis-tetraaminobenzoquinone or ‘TAQ’.

A Importância das Baterias

With the rise of EVs (Electric Vehicles) – largely thanks to American Tesla (TSLA ) and Chinese BYD and CATL – battery technology has become more important than ever as they are relevant not only for electronics, but also for mobility. And soon for the electric grid as well, in order to balance out the intermittency of renewable energies like wind and solar.

Vendas globais de VEs – Fonte: IEA

Até hoje, a química dominante para baterias é a tecnologia de íons de lítio. Isso ocorre porque essas baterias são algumas das mais densas em energia disponíveis quando medidas em kW/kg. Essa métrica é de longe a mais importante em aplicações de mobilidade, já que cada quilo extra de bateria implica a necessidade de mais bateria e/ou menor autonomia.

Portanto, como os VEs provaram ser a provável tecnologia futura chave para automóveis (e talvez caminhões e até aviões), consideráveis esforços têm sido feitos para melhorar a tecnologia de baterias.

Abandonar o Lítio‑Íon?

Embora altamente densa, a tecnologia tradicional de íon‑lítio não está isenta de falhas. Há uma lista de problemas a serem resolvidos:

• A densidade ainda é relativamente baixa em comparação com combustíveis líquidos como gasolina e diesel, causando ansiedade de autonomia.
• O carregamento pode ser um tanto lento, o que é um problema para muitos motoristas e aplicações comerciais.
• As baterias são caras, em grande parte devido à necessidade de minerais caros.
  • Isso fez com que os VEs fossem inicialmente mais um bem de luxo do que um bem de consumo normal.
  • A mineração desses minerais raramente é ambientalmente amigável e frequentemente vem acompanhada de condições de trabalho deploráveis e exploração de trabalhadores pobres ou crianças nas minas, especialmente no caso do cobalto no Congo.

Como resultado, muitas químicas alternativas foram consideradas. Isso inclui, sem se limitar a,

• LFP (Lítio‑Ferro/Fosfato de ferro)
• sódio‑íon
• baterias de estado sólido
• lítio‑enxofre
• grafeno
• baterias de vidro

A oxidação do alumínio tem sido até discutida como alternativa às baterias por completo. No entanto, todas essas alternativas têm suas limitações. Isso pode incluir vida útil mais curta, dificuldade de fabricação, etc.

(Discutimos em detalhe as vantagens e limitações de cada uma dessas tecnologias em nosso artigo “O Futuro da Mobilidade – Tecnologia de Baterias”).

As mais promissoras, como as baterias de estado sólido, ainda estão em fase experimental, e as prontas para comercialização, como LFP e sódio‑íon, sofrem de menor densidade de energia que o íon‑lítio.

Provavelmente há um mercado para essas baterias de menor densidade, pois também são muito mais baratas de produzir. A empresa chinesa CATL (300750.SZ), que produz mais da metade das baterias do planeta, está entre as líderes neste campo. Discutimos os principais fabricantes de baterias em nosso artigo “Top 10 Ações de Baterias para Investir“.

Ainda assim, em última análise, o VE ideal teria uma bateria barata E poderosa. Essa combinação provavelmente será necessária para substituir totalmente o motor de combustão, especialmente em aplicações comerciais.

O Problema do Cátodo de Íon‑Lítio

A maioria das limitações do íon‑lítio provém das propriedades químicas e físicas da parte do cátodo da bateria. É o cátodo que tipicamente requer cobalto e, mesmo em alternativas potenciais sem cobalto, costuma depender fortemente de outros metais caros como níquel e magnésio.

(Os metais necessários para a transição para VEs e energias renováveis foram discutidos mais detalhadamente em nosso artigo “Top 10 Metais de Baterias & Ações de Mineração de Energia Renovável”)

Esses metais precisam ser minerados, causam poluição e as condições de trabalho são frequentemente terríveis. Eles também são tóxicos, tornando a reciclagem de baterias uma tarefa mais complicada.

Fonte: Visual Capitalist

Pesquisadores têm buscado alternativas à base de carbono, ou os chamados cátodos orgânicos. Até agora, isso tem sido bastante malsucedido, pois os cátodos orgânicos têm sido ou muito baixos em densidade de energia ou não suficientemente duráveis para uso no contexto de ciclos frequentes de carga‑descarga de VEs.

Isso pode ter mudado, graças à descoberta mencionada acima pelos pesquisadores do MIT.

Um Novo Tipo de Cátodo Orgânico

Prof. Mircea Dincă, trabalhando no cargo de Professor W.M. Keck de Energia no MIT, has recently explored new organic compounds previously untested for cathode applications. Instead of the previously explored organosulfur and carbonyl compounds, he looked at a compound called TAQ (bis-tetraaminobenzoquinone). His team had previously demonstrated the potential of this chemical as a supercapacitor material.

TAQ tem grande potencial para uso em baterias, pois forma “estruturas em camadas de estado sólido que podem potencialmente competir com o desempenho tradicional de cátodos à base de cobalto.”

Por si só, isso não teria sido suficiente. Os pesquisadores do MIT também descobriram como melhorar a aderência do TAQ ao coletor de corrente de aço inoxidável do cátodo, aumentando a estabilidade do novo protótipo de cátodo prova de conceito.

Ao adicionar materiais contendo celulose e borracha ao TAQ, eles conseguiram de forma segura mais de 2.000 ciclos de carga‑descarga. A densidade de energia também foi superior à dos cátodos à base de cobalto, e o carregamento levou menos de 6 minutos.

O Que Vem a Seguir?

Isso é, por enquanto, um protótipo de laboratório, e trabalhos adicionais serão necessários para escalá‑lo ao tamanho completo de um pacote de bateria de VE – e ainda mais esforço para descobrir como criar um processo de fabricação em escala para esta nova química de bateria.

Ainda assim, esta é uma das primeiras vezes que um cátodo orgânico superou os designs de íon‑lítio à base de cobalto em todos os métricos importantes: densidade de energia, custo dos materiais e velocidade de carregamento.

Isso mostra que a química de íon‑lítio poderia permanecer como a química de bateria dominante, desde que consiga resolver sua dependência de metais que causam questões éticas e ambientais.

Outra coisa que a pesquisa do Prof. Dincă prova é que os cátodos orgânicos têm grande potencial, com potencialmente milhares de outros compostos orgânicos ainda não testados para esta aplicação. Portanto, mesmo que o TAQ se mostre insuficiente para substituir cobalto e níquel, outros químicos semelhantes ao TAQ podem alcançar isso.

Os designs de íon‑lítio também se beneficiam de uma cadeia de suprimentos e base de fabricação pré‑existentes massivas. E seria muito mais fácil apenas mudar o cátodo do que reconstruir fábricas de baterias do zero para acomodar novas químicas. Portanto, melhorar o íon‑lítio pode fazer muito sentido do ponto de vista empresarial.

Vale também notar que os cátodos orgânicos foram discutidos para outros tipos de baterias, por exemplo, para íon‑alumínio, íon‑sódio/potássio, zinco ou baterias de íons duplos à base de cálcio. Assim, é possível que a descoberta das propriedades do TAQ possa ser aplicada a outros tipos de baterias além do íon‑lítio.

Em qualquer caso, componentes orgânicos em baterias facilitarão a reciclagem, uma questão (e oportunidade de investimento) que exploramos em profundidade em nosso artigo “Abordando o Dilema do Li‑ion: Descarte de Células de Bateria Defeituosas em um Mundo Cada Vez Mais Eletrificado“.

Empresas de Cátodos Orgânicos

Volkswagen AG

A pesquisa do Prof. Mircea Dincă foi financiada pela Automobili Lamborghini S.p.A., uma subsidiária da Audi, pertencente ao Grupo Volkswagen. Uma solicitação de patente para a tecnologia de cátodo orgânico já foi registrada.

O fabricante alemão é o segundo maior produtor de automóveis do mundo, atrás apenas da Toyota. A empresa ficou, por um período, atrasada em tecnologia de VEs, mas tem trabalhado arduamente para recuperar o atraso, notavelmente com a série de carros ID e vários modelos híbridos também.

Fonte: Volkswagen

Até 2033, o Grupo Volkswagen planeja produzir apenas VEs na Europa.

• Uma parceria com a Renault para um VE de 20.000 euros.
• Um investimento de US$ 700 M na Xpeng chinesa para impulsionar as vendas de VEs na China.
• Uma parceria com a SAIC Motor chinesa para fornecer plataformas EV à Volkswagen.
• Uma parceria com a Jetta Motor para adquirir tecnologia EV.
• Uma parceria de US$ 492 M com a Magna para revitalizar os icônicos SUVs Scout como EV

Com seus planos ambiciosos em relação aos VEs e acesso à tecnologia avançada de VEs de empresas chinesas líderes, a Volkswagen está em boa posição para analisar a tecnologia patenteada de cátodo orgânico do MIT e trabalhar na sua implantação em escala em seus futuros VEs.

Outras Empresas de Baterias Orgânicas

Embora não estejam desenvolvendo novos cátodos, duas startups estão trabalhando no uso de compostos orgânicos para melhorar o desempenho dos ânodos, Store Dot e EnergyX.