Mais Seguro, Mais Barato e Mais Potente? A Promessa das Baterias de Alumínio

Baterias de alta capacidade que carregam mais rápido e duram mais são fundamentais para alimentar o futuro dos eletrônicos portáteis, veículos elétricos e armazenamento de energia de longo prazo.

Nas últimas décadas, as baterias de íon-lítio têm liderado esse segmento. Um tipo de bateria recarregável, as baterias de íon-lítio são carregadas e descarregadas pelo movimento desses íons entre os eletrodos positivos e negativos, ou seja, ânodos e cátodos.

O metal lítio usado nessas baterias é macio, prateado e altamente reativo. Possui a menor densidade entre todos os metais e é encontrado em compostos como mineral, sendo o Chile seu maior produtor. O Chile também possui as maiores reservas de lítio, seguido pela Austrália e China; esta última também é líder em baterias de íon-lítio.

Essas baterias realmente exigem enormes quantidades de água e energia para serem produzidas. Elas também são muito difíceis de reciclar.

Portanto, embora as baterias de íon-lítio tenham comprovado seu desempenho em eletrônicos portáteis como smartphones, laptops e outros dispositivos de mão, bem como em veículos elétricos e sistemas de armazenamento para backup de energia solar, o mercado agora busca materiais que superem o íon-lítio e alimentem a próxima geração de dispositivos, veículos de longo alcance, aeronaves elétricas e armazenamento em nível de rede.

Isso levou os pesquisadores ao alumínio, que demonstra desempenho promissor para baterias mais seguras, mais baratas e mais potentes.

Potencial do Alumínio no Avanço das Baterias 

Esforços para desenvolver baterias de alumínio recarregáveis vêm ocorrendo há muitas décadas, mas ganharam tração significativa na última década. O aumento da atenção e da pesquisa ajudou as baterias de íon-alumínio a alcançar taxas excepcionais de carga e descarga. 

Todos os desenvolvimentos em torno das baterias de íon-alumínio são significativos devido aos benefícios superiores que esse metal eletropositivo oferece. 

As propriedades únicas do alumínio incluem ser leve, resistente à corrosão e possuir alta condutividade térmica. 

Essa versatilidade tornou esse metal altamente benéfico em uma ampla gama de aplicações em diversos setores, notavelmente no transporte. O metal é usado extensivamente na fabricação de automóveis, aviões e trens porque é leve e forte, o que ajuda a melhorar a eficiência de combustível e reduzir as emissões. 

Outra aplicação importante do alumínio está na indústria da construção, pois é fácil de trabalhar e tem a capacidade de suportar condições ambientais adversas. O alumínio também é amplamente usado em embalagens, aeroespacial, químico, militar e na indústria elétrica.

Ter baixa densidade e ser um bom condutor de eletricidade torna o alumínio ideal para a fabricação de condutores elétricos, dispositivos como computadores, smartphones e televisores, e para uso em linhas de transmissão aéreas.

Mais importante ainda, o alumínio é o elemento metálico mais abundante encontrado na crosta terrestre. Sendo um metal de baixo custo, seu uso em baterias recarregáveis pode reduzir substancialmente o custo das baterias, especialmente para sistemas de backup econômicos e em grande escala para armazenamento de energia renovável. 

As baterias de íon-lítio ainda são caras demais para essas aplicações. Além de serem custosas, essas baterias também contêm um eletrólito inflamável que gera preocupação de segurança. O metal mais abundante na Terra e o segundo mais abundante comercialmente (depois do ferro) representa aqui uma alternativa adequada.

Além de ser barato, o alumínio também possui alta capacidade volumétrica, que é quatro vezes maior que a do lítio e sete vezes maior que a do sódio. Isso demonstra o potencial do alumínio para melhorar a densidade de energia das baterias por unidade de volume.

Além disso, o alumínio é não inflamável, o que reforça ainda mais sua adoção como eletrodo. O uso desse metal também elimina a complexidade de uma camada de interfase que é comumente observada em sistemas de íon-lítio. 

Isso não significa que o alumínio esteja isento de deficiências. A passivação, corrosão e evolução de hidrogênio nos sistemas de baterias de íon-alumínio levaram a sua aplicação limitada. Outro desafio para as baterias de íon-alumínio é a seleção de materiais de ânodo devido à alta densidade de carga dos íons Al3+, o que resulta em cinética de difusão lenta, limitando assim a capacidade de taxa da bateria. 

Apesar desses desafios, as baterias de íon-alumínio são um candidato promissor para armazenamento de energia em larga escala devido à sua alta capacidade específica, baixo custo, leveza, boa segurança e abundância natural do alumínio.

Explorando a Bateria de Íon-Alumínio para Uso no Mundo Real

A exploração do alumínio em baterias vem ocorrendo há algum tempo devido à necessidade de novas químicas de bateria para atender à demanda por alta energia de, por exemplo, aeronaves que voam longas distâncias e armazenamento de energia em escala de utilidade. As baterias convencionais simplesmente não armazenam energia suficiente para alimentar esses sistemas.

Foi há cerca de uma década que pesquisadores da Universidade de Stanford revelaram pela primeira vez que uma bateria de íon-alumínio pode ser estável e ciclar por muito tempo. Essa bateria de íon-alumínio poderia ser totalmente carregada em um minuto e passar por até 7.500 ciclos de carga/descarga com pouca degradação de capacidade.

Um estudo conduzido por pesquisadores da Universidade de Queensland, Austrália, no final do ano passado, abordou o obstáculo técnico com um componente AIB¹ chamado interfase de eletrólito sólido.

Uma bateria de íon-alumínio, muito semelhante às baterias de íon-lítio, possui um ânodo, um cátodo e um eletrólito, que transporta íons de alumínio que fluem entre os eletrodos carregados positivamente e os eletrodos carregados negativamente. 

Durante a descarga, os íons se movem do ânodo para o cátodo para gerar energia, e ao carregar a bateria, o processo se inverte para armazenar energia. No caso das baterias de íon-alumínio, elas enfrentam instabilidades ao ciclar entre carga e descarga devido à formação de dendritos que causam curtos-circuitos, levando à falha da bateria.

A resposta a isso, segundo a pesquisa, foi que as baterias de íon-alumínio precisam de pré-ciclagem, assim como as baterias de íon-lítio, para maximizar sua vida útil. Compreender essas necessidades únicas de pré-ciclagem pode levar a designs melhores que permitam que a bateria dure mais e funcione de forma mais confiável, aproximando-as das aplicações no mundo real.

Em outra pesquisa de alguns anos atrás, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia usaram folha de alumínio para criar baterias que poderiam permitir que veículos elétricos percorram distâncias maiores com uma única carga.

Neste estudo, os pesquisadores adicionaram pequenas quantidades de mais de 100 materiais diferentes ao alumínio para criar folhas com “microestruturas” específicas. O ânodo de alumínio foi capaz de armazenar mais lítio do que os materiais de ânodo tradicionais, o que significa mais energia, levando à criação de baterias de alta densidade energética.

Essas pesquisas sobre baterias de alumínio têm um imenso potencial para abrir caminho a tecnologias de baterias mais poderosas que impulsionarão o futuro.

Novo Design para Prolongar a Vida das Baterias de Alumínio

Dado os inúmeros benefícios das baterias de íon-alumínio, recentemente, um estudo publicado² na ACS Central Science dedicou-se a projetar uma bateria de íon-alumínio econômica e ecologicamente amigável que pode ajudar a apoiar a transição para energia sustentável e limpa.

Com o impulso global em direção à sustentabilidade, o estudo destacou a necessidade de explorar recursos abundantes e renováveis para avanços nas tecnologias de baterias de armazenamento de energia, a fim de promover o desenvolvimento sustentável.

Assim, os pesquisadores recorreram às baterias recarregáveis de íon-alumínio (AIBs) com eletrólitos de líquido iônico à base de cloroaluminato à temperatura ambiente não inflamáveis. Sua ampla adaptabilidade de temperatura, longa vida útil de ciclo e segurança excepcional tornam as AIBs altamente adequadas para sistemas capazes de armazenar energia em grande escala. 

Mas, claro, os eletrólitos de líquido iônico tradicionais nas AIBs sofrem de vulnerabilidades notáveis. Com sua nova estrutura, os pesquisadores visam superar o problema de corrosão do eletrólito mais comum usado em baterias de íon-alumínio. 

O eletrólito — cloreto de alumínio líquido — não só corrói o ânodo de alumínio, como agrava a condição devido à sua alta sensibilidade à umidade. Isso contribui para baixa estabilidade, resultando em declínio no desempenho elétrico ao longo do tempo. 

Para remover essa limitação, os pesquisadores introduziram um sal inerte de fluoreto de alumínio ao eletrólito que continha um íon Al, transformando-o em um eletrólito de estado sólido. A estrutura porosa 3D do sal de fluoreto de alumínio permite que os íons de alumínio saltem facilmente através do eletrólito e aumentem a condutividade. 

Os pesquisadores também usaram carbonato de fluoroetileno como aditivo de interface. Um revestimento sólido fino desse composto nos eletrodos ajudou a prevenir a formação de cristais de alumínio e, por sua vez, protegeu a integridade da bateria contra deterioração.

Com esses dois componentes, a equipe conseguiu melhorar a resistência à umidade da bateria, bem como sua estabilidade térmica e física. Isso permitiu que a bateria de íon-alumínio de estado sólido suportasse temperaturas de até 392 graus Fahrenheit (ou 200 graus Celsius). Ela também resistiu a repetidos golpes de um objeto pontiagudo.

Quanto à vida útil desta bateria, o estudo constatou que ela é excepcionalmente longa. A bateria de íon-alumínio de estado sólido durou até 10.000 ciclos de carga e descarga, apresentando perda inferior a um por cento de sua capacidade original.

Além disso, a maior parte do fluoreto de alumínio usado pode ser recuperada com uma simples lavagem. O AlF3 pode então ser reciclado em outra bateria com desempenho apenas ligeiramente reduzido, reduzindo ainda mais os custos de produção da bateria.

“Este novo design de bateria de íon-alumínio demonstra o potencial para um sistema de armazenamento de energia duradouro, econômico e de alta segurança. A capacidade de recuperar e reciclar materiais‑chave torna a tecnologia mais sustentável.”

– Wei Wang, Laboratório Estatal de Metrologia Avançada, Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, China

A nova bateria aumenta a praticidade das baterias de íon-alumínio ao reduzir seu custo de fabricação e prolongar sua vida, mas ainda são necessárias melhorias adicionais em densidade de energia, estabilidade do eletrólito e ciclo de vida para a comercialização desta bateria.

Clique aqui para saber sobre um estudo que desmentiu mitos sobre o envelhecimento de baterias.

Principais Players no Mercado de Baterias

O surgimento de promissoras tecnologias de baterias de próxima geração oferece melhorias significativas em termos de densidade de energia, segurança, custo e vida útil em relação às baterias de íon‑lítio atuais. Espera‑se que elas transformem as necessidades energéticas, impulsionadas por inovações que abordam as limitações das tecnologias atuais. 

Então, vamos agora observar as empresas que estão ultrapassando os limites da tecnologia de baterias e que podem experimentar um enorme crescimento nos próximos anos.

1. QuantumScape (QS )

Enquanto o mundo explora alternativas, as baterias baseadas em lítio continuam liderando por enquanto. Nesse contexto, a QuantumScape Corporation está entre as principais empresas de baterias que desenvolvem tecnologia de bateria de estado sólido de lítio‑metal para veículos elétricos e outras aplicações. 

Com as baterias de íon‑lítio legadas se aproximando de seus limites, a empresa desenvolveu o que chama de primeiro design de célula sem ânodo da indústria, para oferecer alta densidade de energia, custos de material reduzidos e produção simplificada. 

Ao contrário das baterias de íon‑lítio convencionais que possuem um separador de polímero, a QuantumScape usa um separador de estado sólido. Isso permite a substituição do ânodo de carbono ou silício por um ânodo de lítio‑metal, que é mais denso em energia e, portanto, armazena uma maior quantidade de energia no mesmo volume. No design da QuantumScape, a bateria é fabricada sem ânodo e em estado descarregado.

Segundo a QuantumScape, sua célula protótipo A0 de 24 camadas completou mais de 1.000 equivalentes de ciclos completos de carga e descarga com mais de 95% de retenção de energia. Em outubro, a empresa revelou seu primeiro produto comercial planejado, o QSE‑5, para aplicações automotivas. A célula de amostra B do QSE‑5, cuja produção em baixa escala já começou, tem energia medida de 21,6 Watt‑horas (Wh). As células QSE‑5 podem carregar de 10% a 80% em cerca de 12 minutos.

Com capitalização de mercado de 2,62 bilhões, as ações da QuantumScape estão atualmente sendo negociadas a US$5,13, queda de 1,16% no ano. Seu EPS (TTM) é -0,95, e o índice P/E (TTM) é -5,38.

Para os resultados financeiros do último trimestre reportado, ou seja, Q3 2024, a empresa teve US$17,9 milhões em despesas de capital, enquanto suas despesas operacionais GAAP foram de US$130,2 milhões e o prejuízo líquido GAAP foi de US$119,7 milhões. A liquidez ao final do trimestre foi de US$841 milhões.

A QuantumScape também fez parceria com a fabricante de baterias da Volkswagen, a PowerCo, para levar sua tecnologia QSE‑5 à produção em massa.

Durante esse período, a empresa relatou a implementação bem‑sucedida de sua nova tecnologia de produção de separadores chamada Raptor. Em dezembro, a empresa anunciou o lançamento do Cobra, que, segundo a QuantumScape, a colocará no caminho para entregar amostras de maior volume do QSE‑5 ainda este ano. O Cobra também é considerado um passo importante rumo à comercialização de suas baterias de estado sólido para veículos elétricos.

2. Solid Power (SLDP )

Fundada em 2011, a Solid Power foi criada a partir da Universidade do Colorado Boulder com financiamento da DARPA. Ao longo dos anos, garantiu contratos com a Força Aérea e assinou um acordo com o Departamento de Energia.

Em 2018, a empresa realizou sua primeira rodada de financiamento baseado em ações, e em 2021, anunciou uma rodada de investimento de US$135 milhões liderada pelo Grupo BMW, pela Ford Motor Company e pela Volta Energy Technologies. 

Tanto a Ford quanto o Grupo BMW expandiram desde então seus acordos de desenvolvimento conjunto existentes com a Solid Power para garantir todas as baterias de estado sólido para seus futuros veículos elétricos. No ano anterior, a Solid Power produziu células de metal de lítio de 320 Wh/kg e 20 Ah, que relatou superar a energia específica das baterias de íon‑lítio comercialmente disponíveis.

A empresa está envolvida no desenvolvimento da tecnologia de bateria de estado sólido de próxima geração, que, segundo ela, tem o potencial de revolucionar os futuros mercados de energia móvel. Seu foco está particularmente em eletrólitos sólidos à base de sulfeto para veículos elétricos, com meta de custo de US$85/kWh. O objetivo é escalar a produção de eletrólitos para alimentar 800.000 veículos elétricos usando suas células de bateria anualmente até 2028.

Com capitalização de mercado de 268,77 milhões, as ações da Solid Power estão atualmente sendo negociadas a US$1,50, queda de 21,16% no ano. A empresa começou a negociar na Nasdaq apenas no final de dezembro de 2021. Seu EPS (TTM) é -0,47, e o índice P/E (TTM) é -3,14.

Para os resultados financeiros mais recentemente reportados, Q3 2024, a Solid Power entregou US$4,7 milhões em receita, o que representou uma diminuição de US$1,7 milhão em relação ao mesmo trimestre do ano anterior. Essa queda na receita ocorreu principalmente devido à conclusão de seus marcos com a BMW. As despesas operacionais do período foram maiores devido ao aumento dos custos de produção, custos de desenvolvimento de célula e eletrólito, escalonamento de operações e execuções. Sua posição de liquidez, porém, permaneceu forte, pois a SolidPower encerrou o trimestre com US$348,1 milhões em liquidez total.

Durante esse período, a empresa começou a trabalhar em seu centro de inovação de eletrólitos (EIC) para melhorar os processos de fabricação de seu eletrólito pré‑piloto.

Mais recentemente, a Solid Power anunciou que garantiu até US$50 milhões em financiamento do Departamento de Energia dos EUA para produção contínua de materiais de eletrólito sólido à base de sulfeto. Como parte de um Acordo de Assistência, a Solid Power contribuirá com US$60 milhões de seus próprios recursos para apoiar a instalação de equipamentos, o que se espera que impulsione a escala de fabricação da empresa.

Conclusão 

As baterias de íon‑lítio continuam a dominar muitos eletrônicos de consumo comuns, veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia (ESSs). A crescente adoção dessas baterias se deve à sua alta densidade de energia e aos sistemas industriais de produção maduros, mas se quisermos integrar fontes de energia abundantes e renováveis à rede elétrica, precisamos encontrar soluções melhores.

O armazenamento de longo prazo de energia solar e eólica requer baterias de grande porte, mas as baterias de íon‑lítio são proibitivamente caras para essa tarefa. Sem mencionar que sua inflamabilidade representa um risco considerável de segurança. Um substituto potencial para sistemas de armazenamento de energia confiáveis e em larga escala são as baterias recarregáveis de íon‑alumínio, que apresentam uma alternativa promissora com seu menor custo, segurança aprimorada e alta capacidade volumétrica. 

Com os avanços na estabilidade do eletrólito e na vida útil das baterias, as baterias de íon‑alumínio podem desempenhar um papel fundamental no armazenamento de energia em grande escala, veículos elétricos e além. Embora desafios ainda existam em sua viabilidade comercial, pesquisas em andamento estão aproximando essas baterias das aplicações no mundo real e podem em breve atender à necessidade futura da sociedade por baterias de alta densidade de energia e acessíveis.

Clique aqui para uma lista das principais ações de baterias para investir.