Sal de Rocha Desordenado: Como Abordar a Mobilidade do Oxigênio Conduziu a uma Revolução na Tecnologia de Baterias

A demanda por baterias está crescendo em todo o mundo, impulsionada pelo seu uso crescente na indústria automotiva, pela popularidade crescente de eletrônicos portáteis e por regulamentos ambientais rigorosos. Como resultado, o mercado global de baterias foi projetado para alcançar $800 bln até 2036, acima dos cerca de $120 bln em 2023.

À luz desse crescimento esperado, os pesquisadores estão continuamente desenvolvendo e testando novos materiais e produtos químicos para melhorar partes críticas das baterias, que afetam propriedades como produção de energia, armazenamento de energia, capacidade de potência e capacidade de ciclagem.

Esses componentes incluem um cátodo (eletrodo positivo), um ânodo (eletrodo negativo), um eletrólito (para transporte de íons entre os eletrodos) e um separador.

A maioria dos dispositivos alimentados por bateria hoje, como veículos elétricos (EVs), smartphones e sistemas de armazenamento de energia, depende da tecnologia de baterias de íon‑lítio. As baterias de íon‑lítio podem armazenar uma enorme quantidade de energia em tamanhos compactos, carregam rapidamente e têm longa vida útil.

No entanto, com a crescente demanda por baterias com capacidades maiores, novas tecnologias estão sendo pesquisadas e desenvolvidas para melhorar a eficiência, reduzir custos, aumentar a segurança e promover a sustentabilidade.

Ao longo dos anos, a pesquisa contínua levou a avanços que oferecem alternativas promissoras às baterias de íon‑lítio e de chumbo‑ácido.

As baterias de íon‑sódio oferecem uma opção mais acessível e segura que tem melhor desempenho em temperaturas mais baixas. Essas baterias são semelhantes às de íon‑lítio, mas utilizam água salgada como eletrólito, tornando-as mais adequadas para armazenamento de energia, embora ainda precisem ser otimizadas. Pesquisadores estão até usando gel eletrolítico para tornar nanofios mais resilientes e adequados ao uso em baterias.

Baterias de estado sólido, por outro lado, utilizam um eletrólito sólido como vidro, cerâmica ou polímero em vez de gel ou eletrólito líquido. Essas baterias são muito mais eficientes, pesam menos, carregam mais rápido, e já estão sendo usadas em smartphones e marcapassos. Toyota e BMW estão atualmente trabalhando no lançamento de carros alimentados por baterias de estado sólido, embora ainda leve alguns anos.

Novas tecnologias de bateria incluem ainda baterias de lítio‑enxofre, que são econômicas mas têm limitação de durabilidade, e baterias de íon‑lítio sem cobalto, que podem ajudar a enfrentar preocupações de direitos humanos na mineração de cobalto. No entanto, alternativas como TAQ ainda são novas e precisam de mais testes.

Baterias à base de zinco também estão sendo exploradas, com tecnologias que incluem zinco‑dióxido de manganês, zinco‑ar, zinco‑bromo e baterias de íon‑zinco. Contudo, elas são ineficientes, às vezes envolvem reações químicas de conversão inesperadas e são caras de fabricar, exigindo mais pesquisa.

À medida que o mundo depende cada vez mais das baterias, cientistas globalmente estão focados em alcançar avanços nos tempos de armazenamento, produção de energia, custos de produção e prontidão instantânea.

Última Revolução em Baterias: Cátodos de Sal de Rocha‑Polianião

Novas pesquisas fizeram um avanço no aumento da densidade de energia prática da bateria. Publicado na Nature Energy no final do mês passado, o estudo intitulado “Integrated rocksalt–polyanion cathodes with excess lithium and stabilized cycling,” foi conduzido pelo Departamento de Ciências Nucleares e Engenharia do MIT.

O estudo foca em um novo material de cátodo encontrado em sal de rocha desordenado, que tem sido estudado como material avançado de cátodo para uso em baterias de íon‑lítio por mais de uma década. 

Pesquisadores do MIT garantiram que o material pode criar armazenamento de alta energia e baixo custo para EVs, telefones móveis e armazenamento de energia renovável.

Liderado por Ju Li, professor da Tokyo Electric Power Company em Engenharia Nuclear, a equipe descobriu o DRXPS, ou spinel de sal de rocha‑polianião desordenado, como o novo material.

Esta nova categoria de cátodo de sal de rocha parcialmente desordenado, integrado com polianões, demonstrou entregar alta densidade de energia em altas voltagens com estabilidade de ciclagem aprimorada. Isso representa um grande feito, considerando que normalmente há um compromisso entre densidade de energia e estabilidade de ciclagem em materiais de cátodo.

“Com este trabalho, buscamos expandir os limites projetando novas químicas de cátodo.”

– Yimeng Huang, primeiro autor do artigo, pós‑doutorando no NSE

Agora, como a nova família de materiais consegue alcançar alta densidade de energia e boa estabilidade de ciclagem? A resposta está na integração de dois materiais-chave de cátodo — sal de rocha e olivina polianiónica. Ao combiná‑los, foi possível obter os benefícios de ambos.

Outro elemento em jogo aqui é o manganês (Mn), um metal duro e prateado encontrado em abundância na Terra e muito mais barato que outros elementos atualmente usados nos cátodos de hoje. 

Por exemplo, o manganês custa cerca de trinta vezes menos que o cobalto (Co) e cinco vezes menos que o níquel (Ni), ambos comumente usados em baterias. Além disso, o manganês desempenha um papel crucial na obtenção de densidades de energia mais altas. 

“(Ter um) material tão abundante na Terra é uma vantagem tremenda.”

– Li, professor de ciência e engenharia de materiais

Essa vantagem, segundo os pesquisadores, é de grande valor para um futuro zero‑carbono que requer infraestrutura de energia renovável. 

As baterias podem desempenhar um papel importante nessa transição, com o potencial de descarbonizar o transporte por meio de veículos elétricos e enfrentar a intermitência da energia solar e eólica. Como essas fontes renováveis não estão disponíveis 24 h por dia, o armazenamento de energia é essencial para fornecer energia nos momentos em que essas fontes não estão disponíveis, como à noite ou em dias nublados e calmos.

Os pesquisadores também apontam que materiais como cobalto e níquel são relativamente raros e caros. Usá‑los para escalar rapidamente a capacidade de armazenamento elétrico poderia gerar picos de custos e potencialmente escassez significativa de materiais. De acordo com Li:

“Se queremos uma verdadeira eletrificação da geração de energia, transporte e mais, precisamos de baterias abundantes na Terra para armazenar energia intermitente de fotovoltaica e vento. Acho que este é um dos passos rumo a esse sonho.”

Superando o Obstáculo da Mobilidade do Oxigênio em Materiais Atuais

Financiado pelo Honda Research Institute USA Inc. e pelo Molecular Foundry no Lawrence Berkeley National Laboratory, o estudo abordou um dos principais desafios que os cátodos de sal de rocha desordenado enfrentam.

Como mencionado anteriormente, o material tem sido estudado por sua capacidade extremamente alta. Comparado a materiais de cátodo tradicionais, que têm capacidade entre 190 e 200 miliamperes‑hora por grama, este material oferece até 350 miliamperes‑hora por grama.

Entretanto, apesar de oferecer capacidade muito alta, o material não é muito estável. Isso se deve parcialmente ao redox de oxigênio, um processo que aproveita a densidade eletrônica perto dos átomos de oxigênio nos materiais de cátodo. 

O redox de oxigênio é ativado quando o cátodo é carregado a altas voltagens, tornando o oxigênio móvel, o que então leva a reações com o eletrólito e à degradação do material. Isso torna o material inútil após ciclos prolongados.

Para superar esses desafios, os pesquisadores introduziram outro elemento no material: fósforo (P), um sólido macio e ceroso que age como cola, mantendo o oxigênio no lugar e reduzindo a degradação do material. 

Mas apenas adicionar fósforo não é suficiente por si só. É a quantidade correta de fósforo que representa a inovação mais importante aqui. Ao adicionar a quantidade apropriada de P “formaram‑se os chamados polianões com seus átomos de oxigênio vizinhos em uma estrutura de sal de rocha deficiente em cátions que pode prendê‑los”, afirmou Li.

A forte ligação covalente entre oxigênio e fósforo permite que os pesquisadores parem o transporte de oxigênio. Dessa forma, eles conseguiram utilizar a capacidade contribuída pelo oxigênio e ao mesmo tempo, alcançar boa estabilidade.

Ter essa capacidade de carregar baterias a voltagens mais altas é importante porque permite sistemas mais simples para gerenciar sua energia armazenada.

“Você pode dizer que a qualidade da energia é maior. Quanto maior a voltagem por célula, menos você precisa conectar elas em série no pacote de baterias, e mais simples será o sistema de gerenciamento da bateria.”

– Li

Este estudo é apenas o começo, pois a equipe agora explorará diferentes proporções de manganês, lítio, oxigênio e fósforo, bem como várias combinações de outros elementos formadores de polianões como silício, enxofre e boro.

Avançando, os pesquisadores também investigarão maneiras inovadoras de fabricar o material, com foco particular na escalabilidade e morfologia. O estudo atual usa moagem de alta energia para síntese mecanicoquímica, que gera morfologia não uniforme e partículas de cerca de 150 nanômetros, um tamanho médio pequeno. Além disso, o método atual não é realmente escalável. 

Portanto, os pesquisadores estão agora tentando métodos de síntese alternativos para alcançar uma morfologia mais uniforme e partículas de tamanho maior. Isso ajudaria a aumentar a densidade de energia volumétrica do material e pode até permitir que experimentem alguns métodos de revestimento que poderiam melhorar o desempenho da bateria. Métodos futuros também precisam ser industrialmente escaláveis.

Outra questão é a condutividade, que foi aumentada ao adicionar uma quantidade significativa de carbono ao material de sal de rocha desordenado. De fato, o carbono representou 20 % do peso da pasta do cátodo, já que o material não é um bom condutor por si só. 

Então, naturalmente, os pesquisadores irão aprofundar a investigação para reduzir o teor de carbono no eletrodo. Se conseguirem isso sem sacrificar o desempenho da bateria, poderão aumentar a densidade de energia prática incorporando um teor maior de material ativo na bateria.

Para isso, estão considerando o uso de nanotubos de carbono, que poderiam reduzir o teor de carbono para apenas um ou dois por cento em peso, permitindo um aumento significativo no material ativo do cátodo. O estudo atual, porém, utilizou Super P, um carbono condutor composto por nanossferas, que é menos eficiente.

Outra melhoria envolve o uso de eletrodos espessos, o que aumentaria ainda mais a densidade de energia prática da bateria.

Uma vez que a equipe otimize a composição do material, desenvolva eletrodos mais espessos, alcance melhor morfologia para revestimentos uniformes, reduza o teor de carbono e adote métodos de síntese escaláveis, eles veem a família de cátodos DRXPS como altamente promissora para aplicações em veículos elétricos, armazenamento em rede e eletrônicos de consumo.

Empresas que Avançam no Campo das Baterias

Muitas corporações estão ajudando a avançar o campo, e ainda mais podem se beneficiar desses desenvolvimentos. 

A Umicore (UMICY) é uma dessas empresas envolvidas em materiais de bateria, particularmente em tecnologias de cátodo, com foco em materiais sustentáveis e avançados. Enquanto isso, a Lithium Americas Corp. (LAC ) (LAC) é fornecedora de lítio, e a Vale (VALE) é uma produtora global líder de ferro e manganês. Agora, vamos analisar alguns outros nomes proeminentes:

#1. Albemarle Corporation (ALB)

Um grande produtor de lítio, a Albemarle tem desenvolvido tecnologias de bateria com maior densidade de energia para reduzir peso e ampliar alcance. É um dos maiores produtores mundiais de lítio para baterias de EV. As ofertas da empresa para atender à demanda por energia limpa incluem soluções de cátodo, soluções de ânodo, soluções de eletrólito e carcaças de bateria.

Com uma capitalização de mercado de $9,84 bilhões, a ação da Albemarle está sendo negociada a $83,66, queda de 41,6 % no ano. Possui um EPS (TTM) de -4,73, um P/E (TTM) de -17,67 e rendimento de dividendos de 1,94 %. No segundo trimestre de 2024, a empresa registrou vendas líquidas de $1,4 bln e EBITDA ajustado de $386 mln. O caixa das operações, por sua vez, foi de $363 mln, acima dos $289 mln do ano anterior.  A Albemarle também entregou mais de $150 mln em benefícios de produtividade.

#2. QuantumScape (QS)

QuantumScape (QS ) é desenvolvedora de baterias de lítio‑metal de estado sólido, visando transformar o armazenamento de energia. A empresa desenvolveu o primeiro design de célula sem ânodo da indústria, que reduz custos de material e entrega alta densidade de energia. Este ano, QuantumScape firmou parceria com a empresa de baterias da Volkswagen, a PowerCo, concedendo-lhes licença para produção em massa de células de bateria baseadas na plataforma tecnológica da QuantumScape.

Com uma capitalização de mercado de $2,75 bilhões, a ação da QuantumScape está sendo negociada a $5,51, queda de 19,78 % no ano. Possui um EPS (TTM) de -0,95 e um P/E (TTM) de -5,78. No segundo trimestre de 2024, a empresa registrou despesas de capital de $18,9 milhões, enquanto as despesas operacionais GAAP foram $134,5 milhões. A liquidez ficou em $938 milhões ao final do trimestre.

Conclusão

Dada a ampla utilização e o tamanho de mercado das baterias, novas e avançadas tecnologias de bateria estão sendo intensamente pesquisadas e desenvolvidas. Como vimos no estudo mais recente, o novo material de cátodo exibiu “densidades de energia gravimétrica superiores a 1.100 Wh kg⁻¹ e >70 % de retenção em mais de 100 ciclos”, abrindo caminho para cátodos de bateria feitos de elementos abundantes na Terra como Mn e Fe.

Desde que as baterias de íon‑lítio são vistas como uma parte crucial da transição para energia limpa, estudos como este garantem seu crescimento contínuo e redução de preço ao desenvolver “materiais de cátodo baratos e de alto desempenho.” 

Isso aponta para um futuro promissor para o armazenamento de energia, com potencial para atender à crescente demanda global enquanto minimiza o impacto ambiental.

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