Nanocompósitos Eletrocatalíticos Podem Reimaginar Baterias de Lítio-Enxofre com Tempos de Carga de 5 Minutos

Do Lítio-Ião ao Lítio-Enxofre

As baterias de íons de lítio dominam o mercado graças à elevada densidade energética e à experiência acumulada na produção em larga escala para eletrônicos de consumo.

Outras aplicações evidenciaram algumas limitações dessa tecnologia. A recarga pode ser demorada e, dependendo da célula e das condições de operação, o carregamento rápido pode acelerar a degradação.

O tempo de recarga é uma preocupação frequente entre proprietários de veículos elétricos e pode dificultar a adoção desses veículos.

Como os veículos elétricos já representam grande parte da demanda por capacidade de armazenamento em baterias, novas químicas com recarga mais rápida podem competir com os projetos de íons de lítio.

Uma alternativa promissora é a bateria de lítio-enxofre. Projetos anteriores tinham recarga lenta, mas novos nanomateriais permitiram resultados laboratoriais de carga e descarga em menos de cinco minutos. Isso ainda não demonstra que um veículo elétrico completo possa ser recarregado nesse tempo.

Vantagens e Desafios do Lítio-Enxofre

Pesquisadores de instituições chinesas e australianas, incluindo Adelaide, Tianjin, ANSTO e Tsinghua, publicaram a nova abordagem na Nature Nanotechnology, no estudo “Desenvolvimento de baterias Li||S de alta potência por engenharia de eletrocatalisadores nanocompósitos de metal de transição e carbono”.

As baterias de lítio-enxofre oferecem elevado potencial de energia específica, medida em Wh/kg. A densidade energética volumétrica, medida em Wh/L, é uma grandeza diferente. Comparações práticas com baterias de íons de lítio dependem do projeto completo da célula e do conjunto de baterias.

Fonte: Vertex Holdings

Entre os obstáculos à adoção estão a vida útil limitada e a recarga lenta de muitos protótipos. O artigo cita projetos com vida útil de cerca de um terço da observada em baterias de íons de lítio e tempos de recarga de uma a dez horas; esses valores não representam todos os projetos.

Esses tempos dificultariam o uso em veículos elétricos, cujos usuários já consideram longas algumas recargas rápidas de 20 a 30 minutos.

(Discutimos muitas químicas alternativas ao íon de lítio em nosso artigo de referência “O futuro da mobilidade — tecnologia de baterias”).

O estudo na Nature Nanotechnology demonstra avanços importantes em células experimentais de lítio-enxofre:

• Mil ciclos em uma célula tipo moeda, com retenção de aproximadamente 75% da capacidade a 8 C e 25 °C nas condições laboratoriais do estudo; a capacidade final foi de cerca de 500 mAh por grama de enxofre.
• O estudo reportou energia específica de 1.306 Wh por kg de enxofre e potência específica de 26.120 W por kg de enxofre. Portanto, a base de cálculo é a massa do enxofre ativo, não a massa completa da célula nem de um conjunto de baterias. Esses valores não demonstram que um conjunto para veículos tenha energia específica dez vezes maior que baterias comerciais.
• Carga e descarga rápidas em menos de cinco minutos nas condições experimentais avaliadas.

Construindo Baterias de Lítio-Enxofre na Escala Nanométrica

Como os pesquisadores obtiveram esses avanços?

Primeiro, examinaram a reação de redução do enxofre, um processo fundamental para a velocidade de carga e descarga. Usaram o Síncrotron Australiano, da ANSTO, e cálculos de orbitais moleculares para investigar a ocupação dos orbitais eletrônicos nos catalisadores à base de metais.

Com esses dados, estabeleceram uma relação entre a concentração de polissulfetos e a cinética da reação de redução do enxofre.

O modelo orientou o desenvolvimento de eletrocatalisadores nanocompósitos de carbono e metais de transição. Foram investigados ferro, cobalto, níquel, cobre e zinco.

O projeto selecionado combinou carbono com aglomerados de cobalto e zinco, obtendo os resultados experimentais descritos acima.

O Que Vem a Seguir?

Baterias com esses atributos poderiam contribuir para a eletrificação do transporte e para o armazenamento associado às energias renováveis.

Ainda há, porém, questões importantes a resolver antes de uma eventual adoção comercial em larga escala.

Materiais Raros

Fabricantes de baterias e veículos elétricos procuram reduzir o uso de cobalto há anos. O fornecimento é concentrado e a mineração na República Democrática do Congo enfrenta problemas documentados de trabalho infantil e abusos de direitos humanos em parte da cadeia produtiva.

O eletrocatalisador de cobalto-zinco também precisa considerar os riscos de fornecimento e a origem dos materiais.

Custos

O custo do cobalto é outro motivo para desenvolver químicas alternativas, como lítio-ferro-fosfato (LFP) e íons de sódio. Baterias de estado sólido descrevem uma arquitetura de eletrólito e podem empregar diferentes materiais, inclusive materiais contendo cobalto.

O custo também pode ser um desafio para baterias de lítio-enxofre com cobalto, mesmo que apresentem vantagens de desempenho em determinadas condições.

Uma energia específica maior pode reduzir a massa de bateria necessária para a mesma autonomia.

Isso pode diminuir o peso do veículo e melhorar ainda mais a autonomia. A participação das baterias no peso total varia conforme o modelo; o artigo cita valores superiores a 25%.

Os fatores decisivos serão o custo por Wh, o desempenho ao longo da vida útil e a redução efetiva de massa no conjunto completo de baterias.

Produção em Massa

A última década trouxe muitos materiais e projetos inovadores. Transformar uma célula tipo moeda de laboratório em um conjunto de baterias e desenvolver sua fabricação industrial, porém, é um desafio considerável.

Por exemplo, a data de comercialização das baterias de estado sólido tem sido repetidamente adiada ano após ano pela QuantumScape, Volkswagen, Toyota, CATL, LG, etc. (QS )

A fabricação em larga escala exige controle de qualidade, desempenho consistente e custos competitivos. Esses obstáculos podem atrasar a comercialização mesmo quando os resultados de laboratório são promissores.

Portanto, ainda há várias etapas entre este protótipo de lítio-enxofre e uma bateria comercial.

Conclusão

As baterias são um dos principais desafios dos veículos elétricos. Universidades e fabricantes como CATL, Tesla e LG investem em pesquisa para melhorar seu desempenho.

Ainda não está claro qual química ou arquitetura predominará. As baterias de estado sólido e de lítio-enxofre são caminhos de desenvolvimento, mas não há uma sequência comercial garantida entre elas.

LFP e íons de sódio também podem atender aplicações em que o baixo custo seja mais importante do que a máxima energia específica.

E, claro, talvez até designs mais exóticos para baterias em escala utilitária com requisitos muito diferentes comparados aos veículos elétricos, como ferro-ar, redox, gravidade ou baterias de concreto que discutimos em nossos artigos “O futuro do armazenamento de energia — baterias em escala de rede” e “Alternativas não químicas às baterias para a transição energética”.

A eletrificação amplia a importância do armazenamento de energia. Os avanços em baterias podem reduzir obstáculos à adoção de veículos elétricos e fontes renováveis, embora infraestrutura, custos e outras condições também sejam relevantes.