Aprimorando Baterias de Íon-Lítio: Nova Tecnologia de Grafeno Apresenta Condutividade Térmica 10x Maior que as Soluções Atuais

Grafeno & Baterias

A tecnologia de baterias está evoluindo rapidamente, com dezenas de químicas alternativas concorrentes desafiando a dominância das baterias de íon‑lítio, cuja descoberta foi premiada com o Prêmio Nobel de Química em 2019.

Uma dessas alternativas são baterias que utilizam grafeno.

Isso ocorre porque o grafeno é um “material maravilhoso”, feito de uma única camada de átomos de carbono. Isso lhe confere propriedades elétricas extraordinárias. Explicamos mais sobre o grafeno, bem como outros “materiais 2D” como borofeno e goldene em “Materiais 2D, Como o Grafeno, Abrem Novas Fronteiras nas Ciências dos Materiais”.

As propriedades elétricas não são as únicas características que tornam o grafeno excepcional. Ele também se destaca por sua condutividade térmica, permitindo transferir calor extremamente rápido.

Fonte: GMG

Essa propriedade térmica pode provar ser transformadora para a tecnologia de baterias e, paradoxalmente, o grafeno pode ajudar a manter as baterias de íon‑lítio como a tecnologia de bateria dominante em relação a químicas alternativas, incluindo baterias baseadas em grafeno.

Isso pode acontecer graças a uma descoberta de pesquisadores da Universidade de Swansea (Reino Unido), em colaboração com a Universidade de Tecnologia de Wuhan e a Universidade de Shenzhen (China). Eles divulgaram seus resultados em um artigo científico publicado na Nature Chemical Engineering sob o título “Coletores de corrente em larga escala para regular a transferência de calor e melhorar a segurança das baterias“.

Limitações do Grafeno

No papel, o grafeno é um material maravilhoso que deveria revolucionar muitas indústrias, desde a fabricação de baterias até tudo que utiliza eletricidade, incluindo computadores e painéis solares, e até concreto e nanorobôs em nossa corrente sanguínea.

Na prática, o grafeno sofre de algumas limitações:

• Fabricação em escala: Fita adesiva Scotch aplicada a um pedaço de grafite foi suficiente para descobrir o grafeno. Mas métodos muito mais complexos como Deposição Química de Vapor (CVD) são necessários para produção em massa.
• Custos: a maioria dos métodos de produção e aplicações em dispositivos existentes são principalmente em pequena escala ou sob medida, e os materiais 2D permanecem bastante caros. O preço real pode variar muito dependendo da pureza, com, por exemplo, grafeno variando entre US$20‑2.000/kg.

Claro, os dois problemas estão ligados, pois é a pequena escala de produção que aumenta os custos. Até agora, isso tem dificultado severamente a adoção em massa do grafeno, fazendo com que a maioria das promessas desse material ainda não se cumpram, apesar de sua descoberta ter ocorrido há 20 anos, em 2004.

A capacidade de produzir material à base de grafeno em grandes volumes é fundamental tanto para reduzir custos quanto para permitir aplicações em escala industrial.

Esta é uma questão puramente de fabricação e tecnologia, já que o grafeno é feito de carbono, um material abundante e barato. Portanto, ele não sofre com o problema de materiais raros, como, por exemplo, catalisadores de produção de hidrogênio que utilizam metais raros como platina ou paládio.

Dessa forma, o grafeno tem o potencial de realmente revolucionar nossos sistemas energéticos, sem encontrar limites de esgotamento de recursos quando implantado em massa.

Produzindo Quilômetros de Grafeno

Esta questão da produção em larga escala é o que os pesquisadores do artigo mencionado alegam ter resolvido parcialmente.

A publicação dos pesquisadores “detalha o primeiro protocolo bem‑sucedido para fabricar folhas de grafeno sem defeitos em escala comercial”.

O método explicado no artigo científico pode ser usado para criar folhas de grafeno em comprimentos que variam de metros a quilômetros.

Mesmo em um ambiente de laboratório não projetado para produção em massa, eles conseguiram criar uma folha de grafeno de 200 metros de comprimento com espessura de 17 micrômetros.

Esta folha também é notavelmente resistente e demonstrou manter alta condutividade elétrica mesmo após ser dobrada mais de 100.000 vezes.

Portanto, pode-se assumir com segurança que será possível utilizá‑la em eletrônicos flexíveis, fabricação industrial e outras aplicações onde o grafeno é usado para conduzir correntes poderosas.

O Que as Folhas de Grafeno Podem Fazer?

As baterias de íon‑lítio são vulneráveis a um risco crítico, chamado fuga térmica. Isso ocorre quando calor excessivo se acumula em uma parte da bateria, frequentemente levando à falha da bateria com incêndios ou explosões perigosas.

Essa questão é uma das principais razões pelas quais muitos pesquisadores e empresas de baterias estão buscando alternativas ao íon‑lítio com químicas alternativas como íon‑sódio. Muitas soluções alternativas estão sendo exploradas, por exemplo, elétricos em gel.

A fuga térmica ocorre principalmente nos coletores de corrente da bateria, onde a maior parte da energia está concentrada. Nas baterias de íon‑lítio atuais, os coletores de corrente são geralmente feitos de alumínio ou cobre.

Os coletores de corrente de grafeno desenvolvidos pela pesquisa com sua folha de grafeno podem apresentar uma condutividade térmica de até 1.400,8 W m⁻¹ K⁻¹. Para referência, isso é quase 10 vezes maior que os coletores de corrente baseados em cobre e alumínio.

Fonte: Nature Chemical Engineering

 Implicação para Baterias de Íon-Lítio

Como a folha de grafeno demonstra uma dissipação de calor muito rápida, ela elimina o risco de concentração local de calor quando a corrente está fluindo.

Por sua vez, isso remove os riscos de reações aluminotérmicas e de evolução de hidrogênio, que são etapas críticas que levam à propagação da falha da bateria e ao risco de incêndio.

“Nossa estrutura densa e alinhada de grafeno fornece uma barreira robusta contra a formação de gases inflamáveis e impede que o oxigênio permeie as células da bateria, o que é crucial para evitar falhas catastróficas,”

Dr Jinlong Yang, co‑autor principal

Talvez mais importante, o método já provou ser implantável com a produção em massa da folha de grafeno. Portanto, poderia ser rapidamente integrado aos processos de fabricação de baterias existentes.

“Este é um passo significativo para a tecnologia de baterias. Nosso método permite a produção de coletores de corrente de grafeno em escala e qualidade que podem ser facilmente integrados à fabricação comercial de baterias. Isso não só melhora a segurança das baterias ao gerenciar o calor de forma eficiente, mas também aumenta a densidade de energia e a longevidade.”

Dr Rui Tan, co‑autor principal

Futuro das Aplicações de Folhas de Grafeno

Os pesquisadores já estão buscando maneiras de reduzir a espessura das folhas de grafeno e melhorar ainda mais suas propriedades mecânicas.

Eles também estão investigando como a folha de grafeno poderia ajudar a projetar baterias de fluxo e baterias de íon‑sódio melhores, em colaboração com outra equipe de pesquisa da Universidade de Swansea, sob a liderança da Prof. Serena Margodonna.

Discutimos anteriormente baterias de íon‑lítio em favo de mel que eliminam o risco de falha da bateria devido ao crescimento de dendritos. Se a fuga térmica também puder ser suprimida graças à folha de grafeno, isso pode tornar as baterias de íon‑lítio muito mais seguras e duráveis que a versão atual.

Fonte: Chemistry Europe

Isso, em geral, segue o padrão de que a maioria das inovações em um nicho da tecnologia de baterias pode ser utilizada em outros designs, ajudando a impulsionar o rápido progresso da indústria.

(Você também pode aprender mais sobre a tecnologia de baterias em nossos artigos “The Future of Mobility – Battery Tech” e “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.)

Investindo em Tecnologia de Baterias

As baterias de íon‑lítio já mudaram o mundo várias vezes, desde permitir que as pessoas carreguem eletrônicos avançados em qualquer lugar até alimentar carros apenas com eletricidade.

Elas ainda podem fazer isso novamente, ou outros tipos de baterias, ao possibilitar 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 Estados Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, bem como em muitos outros países.

Se você não está interessado em escolher empresas específicas de baterias, também pode considerar ETFs de baterias como Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT), o ETF da Global X Lithium & Battery Tech ETF (LIT), ou o WisdomTree Battery Solutions UCITS ETF (WT ), que proporcionarão uma exposição mais diversificada para capitalizar o crescimento da indústria de baterias.

Ou você pode conferir nossos artigos “Top 10 Battery Stocks To Invest In” e “Top 10 Battery Metals & Renewable Energy Mining Stocks”.

Empresas de Baterias

1. Veeco

Veeco tem sido um grande fornecedor de equipamentos para a indústria de fabricação de semicondutores desde sua fundação em 1945. Suas máquinas são usadas na produção de chips avançados EUV, antenas 5G, discos rígidos, LIDAR, LEDs, eletrônica de potência para veículos elétricos, etc.

Fonte: Veeco

O principal foco tecnológico da empresa é o mesmo processo de CVD usado para a produção de borofeno e parte do grafeno, ou mais precisamente, MOCVD (Deposição Química de Vapor Metal-Orgânica).

Fonte: Veeco

Como líder neste segmento de nicho da indústria de semicondutores, a Veeco pode ser uma boa candidata para apostar no crescimento de mais aplicações de CVD.

Tal crescimento pode derivar do uso crescente de grafeno, tungstênio e borofeno, à medida que progredimos na manipulação da matéria em nível atômico. Isso inclui filmes finos de grafeno, mas também potenciais semicondutores de grafeno, supercondutores, etc.

Também provavelmente se beneficiará das grandes tendências de digitalização, IA e eletrificação, independentemente de usar massivamente materiais 2D ou não.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

A GMG é uma produtora de grafeno que focou sua oferta de produtos em itens já demonstrados à base de grafeno, como revestimentos térmicos e lubrificantes.

Isso torna a GMG uma boa opção para investidores que buscam exposição direta ao mercado de grafeno e uma empresa já ativa na produção em massa de grafeno e na melhoria do método de produção atual.

Fonte: GMG

Algumas aplicações adicionais poderiam ser a criação de semicondutores de grafeno (veja “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?”), ou até supercondutores à temperatura ambiente. O revestimento de grafeno também poderia ser usado em baterias e em tecnologias de vasos de pressão de hidrogênio.

Fonte: GMG

A GMG produz seu grafeno a partir de metano + hidrogênio, o que difere da maioria de seus concorrentes, que o produzem a partir de depósitos naturais de grafite. Isso permite maior pureza, mais escalabilidade e produção de baixo custo.

A empresa lançou sua primeira instalação de produção na Austrália em 2023, com capacidade de até 1 milhão de litros de produção de revestimento para trocadores de calor por ano.

O próximo passo para a empresa será sua tecnologia de bateria baseada em íon de alumínio de grafeno, com densidade de 290 Wh/kg, carregamento 60 vezes mais rápido que as baterias de íon‑lítio, vida útil 3 vezes maior e um perfil de risco de incêndio melhor.

Fonte: GMG

Essa entrada no mercado de baterias pode ser um grande risco para a GMG, mas também lhe confere uma perspectiva única sobre o futuro mercado que pode se abrir para o grafeno, incluindo em veículos elétricos e outras aplicações relacionadas à energia.