Prêmios Nobel

Investindo nas Conquistas do Prêmio Nobel: Baterias de Íon-Lítio para Alimentar o Mundo

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História do Prêmio Nobel

O Prêmio Nobel é a premiação mais prestigiosa no mundo científico. Foi criado de acordo com testamento do Sr. Alfred Nobel para conceder um prêmio “àqueles que, no ano anterior, tenham conferido o maior benefício à humanidade” nas áreas de física, química, fisiologia ou medicina, literatura e paz. Um sexto prêmio seria criado posteriormente para ciências econômicas pelo banco central sueco.

A decisão de a quem atribuir o prêmio cabe a várias instituições acadêmicas suecas.

Preocupações com o Legado

A decisão de criar o Prêmio Nobel chegou a Alfred Nobel depois que ele leu seu próprio obituário, causado por um erro de um jornal francês que interpretou erroneamente a notícia da morte de seu irmão. Intitulado “O Mercador da Morte Está Morto”, o artigo francês criticou Nobel por sua invenção de explosivos sem fumaça, dos quais a dinamite era a mais famosa.

Suas invenções foram muito influentes na formação da guerra moderna, e Nobel comprou uma enorme siderúrgica para transformá‑la em um grande fabricante de armamentos. Como primeiro químico, engenheiro e inventor, Nobel percebeu que não queria que seu legado fosse o de um homem lembrado por ter lucrado com a guerra e a morte de outros.

Prêmio Nobel

Hoje, a fortuna de Nobel está armazenada em um fundo investido para gerar renda que financia a Fundação Nobel e a medalha verde dourada, o diploma e o prêmio monetário de 11 milhões de SEK (cerca de US$ 1 milhão) atribuídos aos vencedores.

Fonte: Britannica

Frequentemente, o dinheiro do Prêmio Nobel é dividido entre vários vencedores, especialmente nas áreas científicas onde é comum que 2 ou 3 figuras principais contribuam juntas ou em paralelo para uma descoberta revolucionária.

Ao longo dos anos, o Prêmio Nobel tornou‑se O prêmio científico, tentando equilibrar descobertas teóricas e muito práticas. Ele premiou conquistas que construíram as bases do mundo moderno como radioatividade, antibióticos, raios‑X, ou PCR, bem como ciência fundamental como a fonte de energia do sol, a carga do elétron, estrutura atômica, ou superfluidez.

Uma Bateria Para Alimentar Tudo

Hoje, a eletrificação parece uma tendência imparável, tomando conta dos nossos sistemas de energia e substituindo combustíveis fósseis, de veículos elétricos a bombas de calor. Nada disso seria possível sem o surgimento de baterias radicalmente mais poderosas que os projetos anteriores baseados em metal e ácido.

Baterias, como conceito geral, funcionam armazenando eletricidade e liberando‑a de volta. Enquanto algumas baterias são de uso único, as baterias mais úteis são recarregáveis. Por muito tempo, a bateria chumbo‑ácido, inventada em meados dos anos 1800, foi a forma dominante de bateria recarregável graças ao seu baixo custo e robustez.

Em sua forma mais simples, as baterias chumbo‑ácido funcionam transferindo íons de enxofre do ácido para os átomos de chumbo durante a carga e revertendo essa reação durante a descarga.

Este design permaneceu como o formato dominante de bateria, mas era limitado por vários problemas:

  • Peso elevado
  • Materiais corrosivos.
  • Vida útil relativamente curta, com apenas algumas centenas a mil ciclos.
  • Autodescarga ao longo do tempo.
  • Densidade de energia/armazenamento limitada.

Todos esses fatores limitantes tornavam a bateria chumbo‑ácido uma boa opção para aplicações de baixa potência, como operar as faíscas e o rádio de um carro a gasolina. Mas qualquer coisa mais exigente, de eletrônicos a substituir combustíveis fósseis, não funcionaria com esse tipo de bateria.

Isso mudou graças ao trabalho combinado de 3 diferentes pesquisadores, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino. Juntos, eles ganharam o Prêmio Nobel de 2019 em Química por sua contribuição à criação da bateria de íon‑lítio.

Hoje, as baterias de íon‑lítio passaram de alimentar computadores, smartphones e bancos de energia de reserva para veículos elétricos, redes elétricas e, talvez em breve, até aviões.

Propriedades Elétricas Únicas do Lítio

O lítio foi descoberto pela primeira vez em 1817 por químicos suecos. É o elemento sólido mais leve, com número atômico 3 (apenas 3 prótons em seu núcleo).

Fonte: Medium

O pequeno tamanho dos átomos de lítio significa que eles têm apenas um elétron na camada externa, e quando esse elétron se move para outro átomo, isso gera uma enorme mudança de potencial elétrico por átomo.

Embora essa reatividade extrema seja ideal para uso em baterias, ela traz alguns perigos. Devido à alta reatividade do elemento, há risco de o metal lítio puro se auto‑inflamar ao entrar em contato com água ou ar. Isso é semelhante ao que ocorre com o sódio ou magnésio metálicos.

A maioria das baterias funciona em torno do conceito básico de um ânodo negativo e um cátodo positivo, ligados por um eletrólito líquido.

A extrema reatividade do lítio fez com que o eletrólito não pudesse ser à base de água. Na década de 1960, vários eletrólitos foram projetados usando moléculas orgânicas (baseadas em carbono) para encontrar a combinação certa de inércia, ponto de fusão, estabilidade redox, solubilidade de íons e sais de lítio, taxas de transferência íon/elétron, viscosidade etc.

O design inicial das baterias de íon‑lítio usava lítio metálico como ânodo e compostos de carbonato como eletrólitos. Mas encontrar o material de cátodo adequado foi um desafio maior.

Grande Petróleo Cria Baterias de Lítio

Por mais surpreendente que pareça, a gênese da bateria de íon‑lítio moderna, que acabaria por ameaçar o carro com motor de combustão interna, foi desenvolvida na “Grande Petróleo” Exxon Research and Engineering Company.

Na década de 1970, a ideia de “pico do petróleo”, ou o esgotamento das reservas, era uma ameaça levada muito a sério pelas companhias petrolíferas. Buscando garantir a presença contínua da empresa no setor energético, a Exxon contratou alguns dos principais cientistas da área. Concedeu‑les orçamentos generosos de pesquisa combinados com a rara liberdade de perseguir independentemente a ideia que considerassem mais promissora.

Entre eles estava Stanley Whittingham, pesquisador da Universidade Stanford que se especializou em “intercalação”. Intercalação é o fenômeno em que furos do tamanho de átomos em um material podem se ligar a íons.

A intercalação seria o material ideal para construir um cátodo para baterias de íon‑lítio, retendo íons de lítio nos vazios.

Isso, porém, exigia muita pesquisa, pois o cátodo também precisava atender a uma longa lista de especificações:

  • Não se dissolver no eletrólito.
  • Não permitir intercalação do eletrólito.
  • A intercalação precisa ser reversível.
  • Mínimas mudanças estruturais ao carregar e descarregar.
  • Poder operar em temperatura e pressão ambientes.

Whittingham acabou optando por dissulfeto de titânio (TiS2), após considerar o dissulfeto de tântalo, mas escolheu o titânio devido ao peso elevado do tântalo.

Para melhorar o desempenho, encontraram um método de usar pó de TiS2 misturado com Teflon e fixado a um suporte de aço, envolto por uma película de polipropileno e lítio metálico.

O Problema dos Dendritos

Um problema ainda atormentava a bateria de íon‑lítio potencial. Ao longo de muitos ciclos de carga‑descarga, uma estrutura em forma de árvore chamada dendrito se formava a partir do lítio.

Ao romper o isolante que separa os 2 segmentos da bateria, os dendritos criavam um atalho. Esse problema interrompeu o desenvolvimento de uma bateria de íon‑lítio comercial em sua trajetória.

Quando eles alcançaram o outro eletrodo, a bateria entrou em curto‑circuito, o que poderia levar a uma explosão.

Os bombeiros tiveram que apagar vários incêndios e, finalmente, ameaçaram fazer o laboratório pagar pelos produtos químicos especiais usados para extinguir incêndios de lítio.

Os dendritos foram tornados mais manejáveis ao adicionar alumínio ao ânodo de lítio, criando a primeira bateria de íon‑lítio comercial, usada em relógios em 1976.

Em paralelo, os preços do petróleo, que haviam disparado durante a estagflação dos anos 1970, voltaram a cair. Novos depósitos de petróleo também foram descobertos, reduzindo o medo do pico do petróleo. Isso também reduziu as receitas e lucros da Exxon, forçando a empresa a cortar a pesquisa fundamental e licenciar a bateria recém‑inventada para outras companhias.

Material de Cátodo Melhorado

Onde Stanley Whittingham criou um cátodo viável, o próximo laureado com o Nobel, John Goodenough, melhorou seu potencial elétrico, impulsionando o desempenho da bateria.

Goodenough, físico e matemático, havia contribuído anteriormente para a invenção da memória de acesso aleatório (RAM) no MIT. Depois mudou‑se para a Universidade de Oxford para pesquisar sistemas energéticos, e baterias em particular.

Estudando as recém‑inventadas baterias de íon‑lítio, ele percebeu que óxidos metálicos poderiam funcionar ainda melhor que o sulfeto metálico de Whittingham. Após uma busca sistemática, descobriu que o design de óxido de lítio‑cobalto tinha o dobro do potencial elétrico do design anterior, em 4 V, e publicou sua descoberta em 1980.

Esse design baseado em cobalto permaneceu como a característica dominante das baterias de íon‑lítio até a última década, quando começaram a surgir químicas alternativas sem cobalto. Um processo ainda em andamento, como discutimos em nosso artigo “Designing a Better Battery – Out with Cobalt and In with…TAQ?”.

Um Novo Lar para a Pesquisa de Lítio

Nos países ocidentais, o declínio dramático dos preços do petróleo na década de 1980 reduziu a demanda por soluções energéticas alternativas. Entretanto, no Japão, eletrônicos de consumo portáteis se tornaram uma indústria em expansão. Eles precisavam de uma fonte de energia cada vez maior, que fosse duradoura, leve e pequena o suficiente para caber em Walkmans, câmeras, computadores, telefones sem fio etc.

Akira Yoshino, da Asahi Kasei Corporation, percebeu cedo que as baterias eram o elo faltante e que a indústria precisaria delas.

As baterias de íon‑lítio eram adequadas em termos de densidade de energia, e agora tinham um bom cátodo com o design de óxido de cobalto de Goodenough. Entretanto, o problema do ânodo de metal de lítio e seus dendritos perigosos persistia.

Yoshino testou baterias contendo lítio puro e viu que testes como deixar cair um peso pesado sobre a bateria podiam criar uma explosão poderosa. Isso era perigoso demais para baterias maiores, que não passariam nas leis de proteção ao consumidor, além de ser um desastre de relações públicas aguardando acontecer.

Removendo o Lítio do Ânodo

Grafite, ou carbono puro, como a ponta de um lápis, era há muito conhecido como potencial substituto para o ânodo de lítio metálico, graças ao seu baixo potencial elétrico relativo ao Li⁺/Li. O problema era que o grafite seria danificado e se fragmentaria no eletrólito orgânico.

A principal ideia de Akira Yoshino que lhe rendeu o Prêmio Nobel foi usar coque de petróleo em vez de grafite. O coque é um subproduto da indústria petrolífera, e algumas grades de qualidade provaram ser estáveis nas condições necessárias para formar uma bateria de íon‑lítio.

Yoshino também mediu que um ânodo de coque com os graus corretos de cristalinidade poderia acomodar e liberar grandes quantidades de íons de lítio. Esse design era muito mais seguro, abrindo caminho para a comercialização de baterias de íon‑lítio maiores.

Yoshino então construiu tal bateria com seu novo ânodo de coque e o cátodo de óxido de cobalto de Goodenough.

Ela teria seu lançamento comercial em 1991 pela Sony e Asahi Kasei, 11 anos após a descoberta de Goodenough e 15 anos após a primeira bateria de íon‑lítio comercializada por Whittingham.

Legado do Íon‑Lítio e Relevância Contínua

As baterias de íon‑lítio de coque/cobalto de Yoshino rapidamente se espalharam por todos os dispositivos eletrônicos modernos. Juntas, coevoluíram com o progresso da computação e da eletrônica para criar sucessivamente laptops, players de mp3, smartphones, consoles portáteis e tablets que são onipresentes em nossas vidas.

O íon‑lítio passaria por uma nova revolução com o surgimento dos veículos elétricos. Eles foram inicialmente impulsionados pela Tesla (TSLA ) e por fabricantes chineses como a BYD (uma empresa de baterias antes de se tornar a maior montadora elétrica do mundo, veja mais sobre a BYD no final do artigo).

Como apenas um veículo elétrico consome o volume de bateria de centenas de smartphones ou computadores, essa mudança de mercado levou a uma explosão na demanda por baterias de íon‑lítio, ofuscando o mercado pré‑2015.

Fonte: Statista

A revolução da eletrificação está agora em pleno andamento, mesmo que montadoras tradicionais e startups menores estejam lutando para fazer a transição, por enquanto superadas por fabricantes chineses agressivos que têm vantagem inicial em tecnologia de veículos elétricos.

As baterias de íon‑lítio estão até mesmo sendo usadas para estabilizar a rede elétrica, que depende cada vez mais de fontes renováveis intermitentes. Contudo, essa é uma categoria onde o íon‑lítio pode não ser a melhor química disponível, como discutimos em “The Future Of Energy Storage – Utility-Scale Batteries Tech”.

Avançando na Tecnologia de Baterias

Um problema da demanda explosiva por baterias de íon‑lítio provenientes dos veículos elétricos é que ela também provocou uma explosão na demanda pelos metais que elas contêm.

Isso gerou extrema volatilidade nos preços do lítio, com a indústria de mineração de lítio passando por ciclos rápidos de sub‑ e superprodução.

Outros metais, como o cobalto, podem ser ainda mais problemáticos, com sua produção em massa ligada a trabalho infantil, escravidão e outras violações de direitos humanos.

Por essas razões, já em 1996, John Goodenough identificou o fosfato de ferro‑lítio (LFP) como uma alternativa sem cobalto (“LiFePO4: Um Novo Material de Cátodo para Baterias Recarregáveis”).

O LFP provou ser uma alternativa mais sustentável e barata às baterias de íon‑lítio clássicas, embora com menor densidade de energia. Em 2022, as baterias LFP representavam 31 % do mercado de baterias para veículos elétricos. Elas também são comumente usadas em armazenamento de energia residencial.

Outras alternativas estão chegando ao mercado, notavelmente íons‑sódio (eliminando totalmente o lítio e usando, em vez disso, sal mais barato) e baterias de estado sólido.

Fonte: Nature

Você pode ler uma visão geral da tecnologia de baterias voltada para mobilidade em “The Future of Mobility – Battery Tech”.

Isso inclui baterias de vidro, o último conceito de bateria no qual o Dr. Goodenough trabalhou antes de falecer em 2023, com alegações impressionantes como o dobro da densidade de energia das baterias de íon‑lítio convencionais, a possibilidade de recarregar 23 000 vezes e tempo de carga de apenas minutos.

Investindo em Tecnologia de Baterias

As baterias de íon‑lítio já mudaram o mundo várias vezes, permitindo que as pessoas carreguem eletrônicos avançados em qualquer lugar e alimentando carros apenas com eletricidade. Elas ainda podem fazer isso novamente, ou outros tipos de baterias, permitindo 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 muitas corretoras, e pode encontrar aqui, no securities.io, nossas recomendações das melhores corretoras nos Estados‑Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, e em muitos outros países.

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

Empresas de Baterias

1. CATL (300750.SZ)

A CATL é a líder global em fabricação de baterias, produzindo mais da metade do volume global de baterias.

A empresa está presente em cada etapa da cadeia de suprimentos de fabricação de baterias e lidera em tecnologia de baterias.

Isso é verdade para baterias de íon‑lítio, onde a empresa tem sido líder estabelecida há muito tempo.

A CATL também anunciou progressos impressionantes em vários outros tipos de baterias :

Fonte: CATL

Mais recentemente, foi anunciado que a empresa essencialmente resolveu o problema dos dendritos que se formam com lítio metálico como ânodo, graças a uma estrutura 3D que bloqueia sua formação.

A empresa está se tornando ativa no mercado de baterias em escala utilitária com o anúncio de seu desempenho do sistema TENER. É “o primeiro sistema de armazenamento de energia produzível em massa com degradação zero nos primeiros cinco anos de uso em Pequim, China”.

Energia imensa em um espaço compacto: contêiner de 20 pés com capacidade de 6,25 MWh.

Impulsionada por tecnologias de ponta e capacidades de fabricação extremas, a CATL resolveu os desafios causados pelos metais de lítio altamente ativos em baterias sem degradação, o que ajuda efetivamente a prevenir o “thermal runaway” causado por reações de oxidação.

CATL também investiu 3,25 B em capacidades de reciclagem de baterias na China. A CATL alcançou notavelmente uma taxa de recuperação 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 veículos elétricos, incluindo Tesla, NIO, Ford, Stellantis, etc.

2. BYD (BYDDY)

Um desafiante de longa data da Tesla no mercado de veículos elétricos, a BYD se tornou um concorrente sério não apenas para a Tesla, mas para praticamente todas as montadoras.

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

A BYD é uma grande parte do motivo pelo qual a China se tornou repentinamente o maior exportador 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 inteiro pode abrir para os EVs da BYD.

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

O “inundar” de EVs baratos produzidos pela BYD nos mercados europeu e americano provavelmente será encontrado com algum nível de protecionismo (até acima das tarifas recentemente impostas), o que poderia impedir 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 domésticos fortes para 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 ávidos por equilibrar geopoliticamente e manter boas relações tanto com o Ocidente quanto com a China, de modo que é improvável que se 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 comparados aos preços na China, bem como à localização da produção fora da China para esses mercados, como, por exemplo, na Europa Oriental, México ou Turquia.

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