Sustentabilidade

Como a Tecnologia de Bateria de Estado Sólido de Princeton Pode Transformar o Armazenamento de Energia

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A Bateria Definitiva

As batteries have become the basis of EV powertrains, their performance and safety profile have improved. So far, this has been achieved with variations of lithium batteries, either lithium-ion (lithium-nickel-manganese NMC & lithium-nickel-cobalt-aluminum NCA) or lithium-ferrum-phosphate (LFP) batteries. It was a transformative technology that rightfully earned its inventors the 2019 Nobel Prize in Chemistry (follow the link for the history of lithium-ion invention).

Até agora, esperava‑se que essas baterias continuassem dominando o mercado de baterias, graças à sua densidade de energia extremamente alta.

Fonte: S&P Global

Existe, porém, um limite para a quantidade de energia que as baterias de íon‑lítio clássicas podem armazenar. Por isso, os pesquisadores estão explorando outras opções, sendo uma das mais promissoras as baterias de estado sólido.

Espera‑se que as baterias de estado sólido sejam mais seguras, mais densas em energia e mais duráveis que as baterias de íon‑lítio tradicionais. Contudo, são muito difíceis de fabricar de forma confiável em escala e de maneira econômica, o que tem retardado sua adoção.

Isso pode mudar, e novas percepções sobre o que faz as baterias de estado sólido falharem estão surgindo de pesquisadores das universidades de Princeton, Purdue, Michigan e do Laboratório Nacional Brookhaven.

Eles publicaram suas descobertas mais recentes em dois artigos científicos nas revistas Advanced Energy Materials1 e ACS Energy Letters2, respectivamente, com os títulos “Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir-Free Solid-State Batteries” & “Filament-Induced Failure in Lithium-Reservoir-Free Solid-State Batteries”.

They also analyzed the current state of the art of battery science regarding anode-free batteries and published it in Nature Materials3, under the title “Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries”.

Bateria de Estado Sólido Sem Ânodo

The idea of solid-state batteries is to replace the liquid electrolyte in lithium-ion with a layer of solid metal. This is the major source of gain of efficiency, as electrolytes are heavy and voluminous.

Isso também melhora o perfil de segurança, já que os solventes do eletrólito são normalmente inflamáveis, gerando incêndios raros, porém espetaculares, que têm prejudicado a reputação dos primeiros veículos elétricos.

Outro passo foi explorado recentemente pelos pesquisadores, removendo completamente metade da bateria. As baterias são compostas por um cátodo e um ânodo, cada um com carga elétrica diferente.

Baterias sem ânodo dispensam totalmente a necessidade de um ânodo,

“Em vez disso, os íons fluem do cátodo positivo diretamente para o coletor de corrente na extremidade oposta da bateria. Os íons então se depositam sobre o próprio coletor de corrente, formando uma fina camada metálica à medida que a bateria carrega.”

Em sua análise da tecnologia sem ânodo atualmente, os pesquisadores de Princeton argumentam que o principal obstáculo para avançar a tecnologia é a compreensão insuficiente do efeito mecânico do ciclo de carga‑descarga, mais do que das reações químicas.

Os mecanismos que regem o ciclo de carga‑descarga das baterias sem ânodo são amplamente controlados por fenômenos eletro‑químico‑mecânicos nas interfaces sólido‑sólido, e há diferenças mecanísticas importantes quando comparados com baterias convencionais com excesso de lítio.

Desafios de Estado Sólido

Em uma bateria clássica, a conexão aos eletrodos (ânodo e cátodo) é relativamente fácil, pois o eletrólito está em forma líquida. Em uma bateria de estado sólido, o metal sólido precisa permanecer em contato perfeito com o coletor de corrente.

Se isso não for perfeitamente uniforme, áreas com bom contato tornam‑se pontos quentes, enquanto áreas com contato ruim formam vazios.

Para entender por que isso ocorre, os pesquisadores precisam ter uma compreensão completa do processo complexo que acontece durante a carga e descarga da bateria. Isso não é apenas um fenômeno químico, mas também mecânico, com o material mudando de forma levemente ao longo do tempo.

No primeiro artigo, they discovered that pressure can play an important role in how the solid-state metal reacts.

Problemas de Baixa Pressão

Scanning electron microscopy reveals how lithium has increasing surface contact as pressure increases. So it means that too low pressure does not do enough to improve the uneven contact caused by those surface irregularities.

Em última análise, a deposição desigual levou à formação de filamentos metálicos afiados que, como pequenas agulhas, podem perfurar o eletrólito sólido e causar um curto‑circuito na bateria.

Problemas de Alta Pressão

While the high pressure can create uniform plating and stripping, it is not a magical solution.

Os pesquisadores descobriram que a pressão forçou o eletrólito e o coletor de corrente a se unirem tão intensamente que quaisquer imperfeições em ambos foram ampliadas até que o estresse mecânico causasse a formação de fissuras.

Usando tomografia de raios‑X, os pesquisadores conseguiram mapear essas fissuras que se formam sob alta pressão.

À medida que a pressão da pilha aumenta de 2 para 10 MPa, todo o volume de fissuras cresce. Muitas fissuras se estendem até o lado do eletrodo oposto (Figuras 3b–e e S10), e um único dendrito de lítio que atinge o eletrodo oposto pode causar um curto‑circuito.

Em geral, encontrar o ponto ideal de pressão suficientemente baixa, mas com contato eficiente, será o objetivo final da indústria de baterias.

“O Santo Graal nesta área será descobrir como manter contato sólido em baixas pressões, já que fabricar um eletrólito livre de defeitos é praticamente impossível. Se quisermos realizar o potencial dessas baterias, precisamos resolver o problema de contato.”

Pr. Kelsey Hatzell – Professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial

Deposição Mais Uniforme

Achieving more uniform plating is the topic of the second paper published by Pr Hatzell’s team and their collaborators in other universities and laboratories.

They found that a thin layer of coating between the current collector and the electrolyte facilitates better ion transport. They tested multiple designs for this coating.

Em última análise, concluíram que a melhor opção eram intercamadas feitas de carbono e nanopartículas de prata. A prata nessas intercamadas formava ligas com os íons durante a carga e descarga da bateria, permitindo deposição e remoção uniformes do coletor de corrente.

No entanto, os detalhes de como as partículas de prata são fabricadas são muito importantes. Ao usar nanopartículas maiores de 200 nm, elas formaram estruturas metálicas finas e irregulares no coletor de corrente. Isso reduziu a capacidade e provocou falhas da bateria ao longo de vários ciclos de carga.

“Poucos grupos investigaram os processos reais que ocorrem nessas intercamadas. Entre outras descobertas, demonstramos que a estabilidade desses sistemas está ligada à morfologia do metal à medida que ele se deposita e se remove do coletor de corrente.”

Se Hwan Park – Pesquisador pós‑doutoral na Universidade de Princeton

Partículas de prata de 50 nm tiveram desempenho muito melhor, criando estruturas mais densas e uniformes, resultando em baterias com maior estabilidade e maior potência.

“Essas descobertas podem orientar a estratégia de fabricação dessas intercamadas.

Ao reduzir o tamanho das partículas de prata, podemos garantir que obtenhamos apenas as vantagens da prata na intercamada, o que, por sua vez, pode nos permitir alcançar bom contato e deposição uniforme mesmo em baixas pressões.

Se Hwan Park – Pesquisador pós‑doutoral na Universidade de Princeton

Construindo Baterias de Estado Sólido Melhores

For a long time, the solid-sate battery concept struggled to exit the lab and make it to the factory floor, with production at scale.

Isso está mudando agora, com países como China, Japão e Coreia do Sul tendo planos de curto prazo para levar baterias de estado sólido ao mercado.

For example:

 “O desafio será passar da pesquisa para o mundo real em apenas alguns anos. Esperamos que o trabalho que estamos fazendo agora no MUSIC (Entendimento Mecano‑Químico de Condutores Sólidos de Íons) possa sustentar o desenvolvimento e a implantação dessas baterias de próxima geração em escala realmente significativa.”

Pr. Kelsey Hatzell – Professor associado de engenharia mecânica e aeroespacial]

Investindo em Tecnologias Avançadas de Baterias

Batteries are at the center of the trend of electrification, itself a major multi-trillion-dollar endeavor looking to remove fossil fuels from our power sources.

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, pode também 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.

Empresa de Bateria de Estado Sólido

QuantumScape

QS Gráfico de preços

Desde sua fundação em 2010, a californiana Quantum Scape tem sido uma startup proeminente no setor de baterias de estado sólido, notável por sua entrada precoce no campo e por sua independência de grandes fabricantes de baterias que também buscam tecnologia de estado sólido, como a CATL (300750.SZ), Samsung ou LG Energy Solution (373220.KS).

Fonte: QuantumScape [securities_stock_price_tag symbol="QS" exchange="NASDAQ"]

Um recurso único das baterias QuantumScape, que na época foi considerado revolucionário, é o uso de um design sem ânodo. Isso permite uma carga rápida de aproximadamente 15 minutos (10‑80 % a 45 °C) e o separador é não inflamável e não combustível.

Isso também coloca as baterias QuantumScape em uma categoria própria em termos de densidade de energia e velocidade de carregamento, superando massivamente líderes como a Tesla (TSLA ) (tanto seu próprio design quanto os fabricados pela CATL).

No entanto, esses desempenhos notáveis têm sido regularmente dificultados por dificuldades em ampliar a produção. Isso também forçou a empresa a queimar seu caixa, levando à diluição dos investidores anteriores e à queda dos preços das ações.

Isso parece estar mudando, desde o acordo de 2024 com a PowerCo, a divisão de baterias do Grupo Volkswagen, para um acordo de licenciamento do design e produção em massa das baterias QuantumScape pela PowerCo.

Sob o acordo de licenciamento não exclusivo, a PowerCo pode fabricar até 40 gigawatts‑hora por ano de baterias para veículos elétricos, com a opção de expandir para 80 GWh por ano.

O repentino aumento da produção da QuantumScape parece estar ligado a Cobra, o equipamento de separador de bateria de estado sólido de próxima geração da empresa, um avanço na fabricação de cerâmicas.

Em geral, o Cobra deve ser integrado à produção em 2025 e o primeiro EV concluído usando baterias QuantumScape deve ser produzido em 2026.

Isso pode ser um ponto de virada para a empresa, passando, 16 anos após sua fundação, de uma startup promissora com IP interessante para gerar receitas crescentes a partir de uma parceria com um dos maiores fabricantes de automóveis do mundo.

Enquanto isso, os investidores ainda devem esperar alguma volatilidade no preço das ações, mas com uma luz no fim do túnel de desenvolvimento do produto.

Novidades sobre a QuantumScape

Referência do Estudo:

1. Se Hwan Park, et al. (2025) Filament-Induced Failure in Lithium-Reservoir-Free Solid-State Batteries. ACS Energy Letters. 22 de fevereiro de 2025  https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.5c00004 

2. Se Hwan Park, et al. (2024). Lithium Kinetics in Ag–C Porous Interlayer in Reservoir-Free Solid-State Batteries. Advanced Energy Material. 19 dezembro de 2024 https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202405129 

3. Stephanie Elizabeth Sandoval, et al. (2025). Electro-chemo-mechanics of anode-free solid-state batteries. Nature Materials. 02 janeiro de 2025 https://www.nature.com/articles/s41563-024-02055-z

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Jonathan é um ex-pesquisador bioquímico que trabalhou em análise genética e ensaios clínicos. Ele agora é um analista de ações e escritor de finanças com foco em inovação, ciclos de mercado e geopolítica em sua publicação The Eurasian Century.