Bateria em Favo de Mel Pode Potencialmente Superar as Baterias de Estado Sólido

Baterias Para Eletrificar o Mundo

A tecnologia de baterias está mudando o mundo de inúmeras maneiras. O exemplo mais óbvio disso são os veículos elétricos (EVs), mas baterias avançadas também são a força motriz por trás da crescente importância de drones e outras inovações futuristas como maglev, trens Hyperloop e até propulsores de massa para conquistar o espaço.

Elas também serão essenciais para tornar nossa rede elétrica verde, suavizando as curvas de produção de energia dos painéis solares à noite e das turbinas eólicas em dias sem vento.

Fonte: Statista

Por enquanto, a tecnologia de baterias tem sido carregada pela tecnologia de íons de lítio, uma descoberta tão essencial que ganhou o Prêmio Nobel de Química em 2019 (você pode ler mais sobre a história de sua descoberta em nosso artigo dedicado).

No entanto, as baterias de íons de lítio têm uma limitação séria. Com o tempo, picos de lítio metálico, chamados dendritos, crescem um pouco a cada ciclo de carga/descarga. Isso pode levar os dendritos a perfurar os componentes da bateria, criando um curto-circuito. O perigo de tal curto-circuito é ainda agravado pelo fato de que as baterias de íons de lítio utilizam eletrólitos inflamáveis, tornando os incêndios de bateria muito intensos e difíceis de apagar.

Este é um problema compartilhado, em certa medida, por todas as baterias baseadas em lítio, incluindo a química LFP (Fosfato de Ferro e Lítio). Pelo menos até agora.

Fonte: Nobel Prize

Por muito tempo, pensou‑se que a alternativa seria uma química totalmente diferente, como íons de sódio, ou um conceito de bateria diferente, especialmente as baterias de estado sólido, que não utilizam eletrólitos.

Isso pode não ser verdade. O principal fabricante de baterias, CATL, anunciou que um novo design “favo de mel” pode criar baterias sem sinais de degradação após 5 anos de uso intensivo.

Esse design poderia ser usado para criar baterias tão densas em energia quanto as baterias de estado sólido, ainda usando principalmente a tecnologia atual.

Favos de Mel Para Abastecer Mais Energia.

Um motivo chave para a degradação das baterias e o crescimento de dendritos é que o material se contrai e expande a cada ciclo de carga/descarga quando os íons de lítio entram na matriz do ânodo.

Gerenciar a contração/expansão também é uma das questões principais que tem dificultado o desenvolvimento de baterias de estado sólido. A CATL afirma ter encontrado uma solução ao desenvolver uma estrutura complexa em forma de favo de mel para o material do seu ânodo.

A ideia não é totalmente nova, pois já foi proposta por pesquisadores, como, por exemplo, em um artigo científico de 2020 intitulado “Battery de íons de lítio extensível baseada em nova estrutura micro‑favo de mel”.

Fonte: Phys.org

A empresa anunciou uma nova bateria LFP (fosfato de ferro e lítio) que pode adicionar 600 km de autonomia em apenas 10 minutos. No total, a autonomia poderia ultrapassar 1.000 km (600 milhas), eliminando totalmente toda a “ansiedade de alcance” para futuros proprietários de EVs.

No geral, isso significa que 1 km de autonomia pode ser carregado a cada segundo e uma carga completa para 1.000 km levará 16,6 minutos.

Novo Recorde de Densidade

Essa impressionante autonomia é possível porque “a densidade de energia do sistema de bateria Shenxing ultrapassa o limite de 200 Wh/kg pela primeira vez, atingindo 205 Wh/kg”.

Isso foi alcançado graças a uma estrutura “favo de mel” que essencialmente mantém o material no lugar correto, evitando fissuras e contração durante o carregamento.

A empresa, é claro, mantém relativa confidencialidade sobre os detalhes de seu processo de fabricação, já que a tecnologia de baterias talvez seja um dos setores mais competitivos do mundo atualmente, notavelmente com a próxima geração de baterias blade da BYD, esperada para chegar a 190 Wh/kg.

Segredos de Fabricação

Sabemos que eles usaram algo chamado “granular gradation/nanometer encapsulation”, que pode posicionar cada partícula nanométrica dentro da célula no local correto. Eles também mencionaram um “revestimento condutor de íons de lítio rápido” para acelerar a transmissão de energia entre os dois polos da bateria.

As fábricas da CATL são altamente automatizadas e podem produzir uma das novas baterias LFP a cada 1 segundo em sua fábrica principal.

De um artigo científico de 2021, podemos aprender algumas das principais vantagens das formas em favo de mel, notadamente baixa densidade e altas propriedades de compressão e cisalhamento fora do plano (resistência dos materiais a forças que atuam em paralelo, mas em direções opostas).

A disposição de grafeno em favo de mel impede efetivamente a aglomeração de nanopartículas de silício, melhora a condutividade elétrica e diminui a resistência ao transporte de Li+.

Embora não esteja claro como a CATL fez isso, alguns desses métodos são conhecidos; por exemplo, tratamentos térmicos e químicos sucessivos com carbono e ácido podem criar uma estrutura nano‑favo de mel.

Fonte: Chemistry Europe

Fonte: Chemistry Europe

Outros Melhoramentos

Na tecnologia de baterias, cada melhoria conta, pois podem se somar para tornar a bateria mais densa. Por sua vez, isso reduz o volume de bateria necessário para determinada quilometragem. Isso então reduz o peso total, aumentando ainda mais a autonomia e/ou diminuindo a quantidade de baterias necessárias.

Paralelamente à sua estrutura de favo de mel, a CATL também anunciou algumas outras melhorias. Um fator que impulsiona a nova densidade da bateria da CATL é a tecnologia otimizada cell-to-body (CTB), que otimiza o espaço que a bateria ocupa no pacote. Isso levou a uma melhoria de eficiência de volume de 7%.

Outras características incluem uma caixa de alta tensão com eficiência de resfriamento ultra‑alta, reduzindo o consumo de energia do sistema de resfriamento. Um algoritmo de gerenciamento de bateria inteligente baseado em IA também garante a segurança da bateria.

Infraestrutura de Carregamento

A infraestrutura para carregar EVs tem sido um fator limitante por muito tempo, principalmente porque é necessário uma rede tão densa quanto os postos de combustível existentes para evitar longas esperas e lacunas na rede de carregamento em áreas remotas. No entanto, outro problema está surgindo: a capacidade dessas estações de carregamento.

À medida que as baterias se tornam mais capazes de lidar com cargas de energia massivas e carregamento rápido, as próprias estações de carregamento precisam de maior capacidade. O carregamento rápido de 16 minutos para 1.000 km requer um processo de carregamento 4C, que por sua vez necessita de uma potência de carregamento massiva de 400 kW para uma bateria de 100 kWh.

Por esse motivo, a CATL anunciou na época que estava entrando no mercado de infraestrutura de carregamento. Ela começará a construir a Rede de Carregamento Super‑rápido Shenxing na China, colaborando com parceiros líderes da indústria como Star Charge, YKC e Shudao New Energy.

No total, planeja 600 pontos de serviço cobrindo 271 cidades de nível de prefeitura em 31 regiões de nível provincial. A oferta de baterias, redes de carregamento e serviços como inspeção e manutenção de baterias visa criar um ecossistema de ciclo fechado.

Além do LFP & EV

Escala de Utilidade

A CATL está cada vez mais ativa no mercado de baterias em escala de utilidade, aparentemente com um renovado interesse em usar química baseada em lítio, após considerar íons de sódio.

Mais notavelmente, declarou que um projeto piloto, usando o sistema de bateria conteinerizado TENER, demonstrou zero degradação de capacidade após 5 anos completos de operação.

Fonte: Sustainability Environment

O arranjo em favo de mel provavelmente está se tornando uma parte central da arquitetura de baterias da CATL. Embora não esteja explicitamente declarado como tal, isso provavelmente é o que a CATL referiu ao falar sobre o TENER:

Para realizar o TENER, a empresa usou um SEI com canais iônicos biomiméticos e alta estabilidade, juntamente com tecnologias de eletrólitos auto‑montados, criando o que chama de “sistema de armazenamento de energia atemporal.

Com base em tecnologia de ponta e capacidades de fabricação extremas, resolvemos os desafios dos metais de lítio altamente ativos […], o que ajuda efetivamente a prevenir a instabilidade térmica causada pela reação de oxidação,”

Esse desempenho sem precedentes do TENER pode mudar completamente a equação para armazenamento fixo de baterias, já que nenhuma degradação significa um perfil de segurança muito melhorado. Também altera o cálculo de amortização ao prometer um pacote de baterias muito mais duradouro, ponto chave para empresas de utilidade.

Portanto, outras químicas ainda podem vencer este mercado, como discutimos em “O Futuro do Armazenamento de Energia – Tecnologia de Baterias em Escala de Utilidade”. Mas também é possível que o lítio acabe dominando o mercado de utilidades, que é muito maior até mesmo que o gigantesco e crescente mercado de EVs.

Estado Condensado

Também é possível que estruturas em favo de mel estejam por trás da bateria “estado condensado” revelada em 2023 e que se espera ser comercializada em breve.

Essas baterias de lítio (não LFP) alegam exibir uma densidade de energia de 500 Wh/kg, ou 2,5 vezes maior que as baterias LFP recentemente anunciadas.

Não foi anunciado um preço para este projeto, portanto a próxima linha da CATL parece ser a seguinte:

1. Estado condensado a 500 Wh/kg para EVs de alta gama e talvez até novos mercados como aeronaves alimentadas por eletricidade.
2. LFP avançado a 200 Wh/kg para EVs de preço médio, com autonomia de 1.000 km recarregável em 16 minutos com a infraestrutura de carregamento adequada.
3. Íons de sódio para EVs de baixo custo com autonomia menor.

Não está claro onde as baterias de estado sólido se encaixariam nessa combinação. Alguns investidores podem até estar preocupados que a 1^ª geração de design de estado sólido possa ser superada pela escala de produção das baterias LFP avançadas e de estado condensado da CATL.

Fonte: Nature

Investindo em Tecnologias Avançadas de Baterias

As baterias estão no centro da tendência de eletrificação, que por si só é um esforço multitrilhão de dólares visando remover os combustíveis fósseis de nossas fontes de energia.

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 tem interesse em escolher empresas específicas de baterias, também pode considerar ETFs de baterias 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 o crescimento da indústria de baterias.

Empresas de Baterias Avançadas

1. CATL (300750.SZ)

Já falamos sobre a liderança tecnológica da CATL. A empresa é a líder global em fabricação de baterias, produzindo mais da metade do volume global de baterias. Está presente em cada etapa da cadeia de suprimentos de fabricação de baterias e é líder em tecnologia de baterias.

Isso é verdade para as baterias de íons de lítio, onde a empresa tem sido líder há muito tempo. Agora parece pequena em comparação com o último anúncio.

A CATL também anunciou no passado progressos impressionantes em vários outros tipos de bateria:

• Uma bateria ultra‑longa vida de 12.000 ciclos para armazenamento de energia em escala de utilidade, com 18.000 ciclos como meta de longo prazo.
• Uma bateria LFP (Fosfato de Ferro e Lítio) de 700 km carregando 400 km de autonomia em 10 minutos, agora parecendo pequena em comparação com o último anúncio.
• Uma bateria de 500 Wh/kg, potencialmente permitindo a eletrificação de aviões de passageiros
• Produção em massa de baterias de íons de sódio de 160 Wh/kg, com meta de 200 Wh/kg.

Fonte: CATL

Fonte: CATL

A CATL também investiu 3,25 B em capacidades de reciclagem de baterias na China. A CATL alcançou notavelmente uma taxa de recuperação impressionante de 99,6% para níquel, cobalto, manganês e 91% para lítio.

Graças à sua escala, foco e conquistas em P&D, a CATL provavelmente estará na vanguarda da inovação, fabricação e reciclagem de baterias.

Isso a torna um parceiro chave para fabricantes de EVs, incluindo Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc., com a Hyundai recentemente adicionada ao crescente rol de alianças estratégicas da CATL.

Além disso, as lições aprendidas em uma química podem ser aplicáveis a outra, então poderemos ver em breve baterias de íons de sódio em favo de mel ou de estado condensado, por exemplo. As economias de escala ao produzir metade das baterias do mundo também provavelmente se aplicarão a toda a empresa, independentemente da tecnologia específica usada em um produto individual.

2. BYD (BYDDY)

Um concorrente de longa data da Tesla no mercado de EVs, a BYD se tornou uma competidora séria não apenas para a Tesla, mas para virtualmente todos os fabricantes de automóveis.

A empresa evoluiu de sua origem como fornecedora de baterias de íons de lítio para telefones para vender quase tantas EVs quanto a Tesla na China (o maior mercado de EVs do mundo) e ser a EV mais vendida na Tailândia, Suécia, Austrália, Nova Zelândia, Cingapura, Israel e Brasil.

A BYD é uma grande parte do motivo pelo qual a China de repente se tornou a maior exportadora de carros do mundo em 2023, superando o Japão. A expansão agressiva da empresa no exterior também é sustentada por novas fábricas, como na Hungria.

E com o lançamento de carros de US$ 10.000‑12.000 como o Seagul, usando baterias de sódio, um novo mercado pode abrir para os EVs da BYD.

Fonte: By User3204 – Own work, CC BY-SA 4.0,

Ainda sendo um fabricante de baterias em sua essência, a BYD é um sério concorrente da CATL no mercado de baterias LFP (fosfato de ferro e lítio), com 41,1% de participação de mercado na China (comparado aos 33,9% da CATL).

A “inundação” de EVs baratos produzidos pela BYD nos mercados europeu e americano provavelmente será recebida com algum nível de protecionismo (mesmo acima das tarifas recentemente impostas), o que poderia dificultar o crescimento da BYD.

Mas, ao mesmo tempo, os EVs chineses baratos já são um grande sucesso no resto do mundo, que não tem incumbentes significativos de fabricantes domésticos a proteger, incluindo toda a América do Sul, Rússia, África, Oriente Médio e Sudeste Asiático.

Isso representa vários bilhões de clientes potenciais para a BYD, vivendo em países ansiosos por equilibrar geopoliticamente e manter boas relações tanto com o Ocidente quanto com a China, portanto é improvável que criem barreiras protecionistas muito fortes.

E mesmo na UE ou nos EUA, a BYD pode permanecer competitiva, graças aos preços muito mais altos dos fabricantes locais de EVs em comparação com os preços na China, bem como à localização da produção fora da China para esses mercados, como, por exemplo, na Europa Oriental, México ou Turquia.