Pequenos Ajustes para Grandes Mudanças – As Texturas de Metais Macios são uma Revolução nas Baterias?

As baterias são onipresentes. Nossa era tecnológica moderna não pode avançar ou prosperar sem baterias fabricadas de forma eficaz e eficientes. As baterias estão presentes em veículos elétricos, dispositivos móveis, armazenamento de energia renovável e muito mais. 

Se analisarmos os números de crescimento, o potencial é exponencial. Entre 2022 e 2030, a demanda global por baterias de íon-lítio, por exemplo, deve aumentar quase sete vezes, atingindo 4,7 terawatt-horas em 2030. Especialistas de mercado atribuem uma parte significativa desse crescimento à popularidade crescente dos veículos elétricos, que dependem fortemente de baterias de íon-lítio. Em 2024, os VEs representaram mais de 80% da demanda mundial por baterias de íon-lítio. 

Apoiar esse crescimento extraordinário exigiria que a produção de baterias fosse ampliada. E essa ampliação da produção só pode ser sustentada por inovação. A boa notícia é que pesquisadores ao redor do mundo estão trabalhando nisso. Eles estão continuamente explorando novos materiais, designs, configurações e química. 

No entanto, também é crucial verificar se essas explorações otimizam os recursos disponíveis. E, sob esse escrutínio, os pesquisadores descobriram que a textura dos metais é algo que tem sido historicamente negligenciado. 

Ao explicar a natureza exata desse descuido, a UChicago PMEProf. Shirley Meng,professora da Família Liew em Engenharia Molecular, disse o seguinte:

“Existe uma lacuna na compreensão da orientação dos grãos, também conhecida como textura, e como esse fator impacta o desempenho de baterias recarregáveis de metal.”

A solução vem do Laboratório de Armazenamento e Conversão de Energia de Meng e de seu parceiro industrial, a Thermo Fisher Scientific. Mais especificamente, vem de um artigo escrito por Meng e seus co-pesquisadores. O artigo tem o título ‘Crescimento de Seleção de Grãos de Metal Macio em Processos Eletroquímicos.‘

Experimentando em Direção a uma Textura Melhor para Baterias Melhores

Pelo termo ‘textura’, os pesquisadores referem-se à orientação dos grãos que está orientada em uma direção específica ao invés de distribuição aleatória. A difração de retroespalhamento de elétrons por feixe de íons focado por plasma (PFIB-EBSD) ajuda a caracterizar a textura do metal sob várias condições de deposição e remoção eletroquímica. 

Na pesquisa¹, os pesquisadores destacaram a competição entre energia de superfície e energia de deformação para a formação da textura de metais alcalinos. Mais particularmente, eles tentaram entender como a dominância da difusão atômica e da energia de superfície dos metais alcalinos sobre o crescimento de seleção de grãos durante processos eletroquímicos funciona como chave para explicar as restrições cinéticas das baterias de estado sólido usando ânodos de metal, particularmente à temperatura ambiente. O objetivo final desta pesquisa e dos insights derivados foi alcançar texturas desejáveis por meio da engenharia de interfaces para melhorar a eficiência de deposição/remoção em altas densidades de corrente.

Os pesquisadores realizaram uma série de etapas em sua busca por entender qual poderia ser a textura perfeita para baterias metálicas. Eles caracterizaram a textura do metal macio sob várias condições, desenvolveram uma teoria termodinâmica e um modelo de campo de fase para a formação da textura, identificaram texturas desejáveis para melhorar a eficiência de deposição/remoção e – finalmente – projetaram uma camada interfacial para o crescimento de grãos desejável. 

O que a pesquisa alcançou?

Nas palavras da UChicago PMEProf. Associado de Pesquisa Minghao Zhang,primeiro autor do novo trabalho, os pesquisadores “descobriram que adicionar uma fina camada de silício entre o metal de lítio e o coletor de corrente ajuda a criar a textura desejada.”

Os pesquisadores inferiram que a “mudança melhorou a capacidade de taxa da bateria em quase dez vezes em baterias totalmente de estado sólido usando metal de lítio”.

Mas o que levou os pesquisadores a descobrir o que era correto e ótimo? 

Os pesquisadores começaram com a premissa de que a textura ideal para um ânodo de bateria seria aquela em que os átomos pudessem mover-se rapidamente ao longo do plano da superfície, já que um movimento mais rápido ajudava as baterias a carregar e descarregar mais rapidamente. Para mudar a forma como a textura é, o que importava eram as diferenças na energia de superfície do metal macio.

Segundo o Professor Minghao Zheng:

“Como baterias com lítio ou sódio metálico dependem dessas texturas para uma capacidade de taxa favorecida, a equipe se perguntou se ajustar a textura de metais macios poderia melhorar as densidades de potência.”

A realização do objetivo dependia fortemente do uso eficaz da tecnologia microscópica, que envolvia usinagem dentro de um microscópio eletrônico de varredura com feixe de íons focado por plasma (PFIB-SEM) com mapeamento de difração de retroespalhamento de elétrons (EBSD). A combinação eficiente dessas duas técnicas pode ajudar a estudar a textura de novas maneiras. 

Ao elaborar sobre a utilidade da tecnologia de microscópio empregada na pesquisa, o coautor do estudo Zhao Liu, Gerente Sênior de Desenvolvimento de Mercado da Thermo Fisher Scientific, disse o seguinte:

“A combinação PFIB-EBSD é bem adequada para este estudo, pois o PFIB pode acessar efetivamente a área de interesse dentro da pilha de células, produzindo uma superfície de alta qualidade com defeitos mínimos, enquanto o EBSD fornece informações detalhadas sobre a textura do metal macio.”

Além de seu parceiro industrial, os pesquisadores também se associaram ao Laboratório de Pesquisa de Fronteira da LG Energy Solution, com o objetivo de trabalhar na comercialização da tecnologia. 

Segundo o Pesquisador Sênior da LG Energy Solution, Jeong Beom Lee, a pesquisa ajudaria a desenvolver baterias de próxima geração para veículos elétricos e aplicações de armazenamento de energia. 

O que os pesquisadores pretendem fazer a seguir?

Avançando, os pesquisadores têm dois objetivos claros. Primeiro, desejam reduzir a pressão usada durante os testes de 5 megapascais (MPa) para 1 MPa, o padrão atual da indústria para baterias comercialmente disponíveis. Em segundo lugar, querem investigar o impacto da textura no sódio, que, segundo as descobertas de Meng, tem potencial para se tornar uma alternativa barata e prontamente disponível ao lítio. 

Outras Pesquisas sobre Materiais de Baterias de Íon-Lítio

Embora a pesquisa atual apresente uma descoberta, empreendimentos de pesquisa semelhantes não são incomuns. Uma revisão de pesquisas realizadas sobre essas baterias – publicada em Materials Today – destacou o fato de que, embora as baterias de íon-lítio tenham vantagens claras de alta densidade de energia, longa vida de ciclo e alta eficiência que possuem hoje, a pesquisa continuava em novos materiais de eletrodo para expandir os limites de custo, densidade de energia, densidade de potência, vida de ciclo e segurança.

Enquanto os pesquisadores investigavam as promissoras opções de materiais de ânodo e cátodo disponíveis, descobriram que muitos deles sofriam com problemas de limitada condutividade elétrica, transporte lento de Li, dissolução ou outras interações desfavoráveis com o eletrólito, baixa estabilidade térmica, alta expansão de volume e fragilidade mecânica. As soluções disponíveis para esses problemas envolveram cátodos de intercalação trazidos ao mercado. No entanto, a velocidade com que a tecnologia de materiais de conversão alcançava a comercialização era lenta. 

Falando sobre comercialização e ampliação, devemos agora nos dirigir a empresas que podem alcançar muito por meio de pesquisas tecnológicas de alto nível. 

1. Samsung

Em agosto de 2024, a Samsung SDI da Coreia do Sul concluiu um acordo com a General Motors para construir uma fábrica conjunta de baterias para veículos elétricos no estado de Indiana, EUA. Por meio desse acordo, as duas empresas decidiram construir conjuntamente uma fábrica de fabricação de células de bateria com capacidade de produção anual de 27 gigawatt-horas. 

Anteriormente, em 2022, a Samsung SDI Co., a sexta maior fabricante de baterias do mundo, e a montadora multinacional holandesa Stellantis N.V. escolheram o estado de Indiana como local para uma fábrica conjunta de baterias para veículos elétricos nos EUA. 

O fabricante pretendia produzir 23 gigawatt-horas (GWh) de células e módulos de bateria prismáticos por ano, de acordo com o plano para o primeiro semestre de 2025 para as fábricas de automóveis da Stellantis na América do Norte. 

Quanto à produção de baterias, a Samsung SDI atende a uma variedade de soluções, incluindo veículos elétricos, sistemas de armazenamento de energia, micro mobilidade, dispositivos de energia e dispositivos de TI. 

Para VEs e PHEVs, a empresa fabrica baterias de alta capacidade, alta densidade de energia e carregamento rápido, liderando na produção em massa de baterias de estado sólido. Para soluções de armazenamento de energia, a Samsung SDI oferece produtos de bateria que vão desde soluções residenciais e utilitárias, comerciais e industriais integradas com fontes de energia renovável até soluções de fonte de alimentação ininterrupta (UPS).

Na micro-mobilidade, a Samsung SDI fabrica baterias para transporte de última milha pequeno e leve, como patinetes elétricos, bicicletas elétricas e scooters elétricos. Neste segmento, a empresa utiliza materiais e tecnologias de componentes de alto nível para produzir as melhores baterias disponíveis. 

Para bicicletas elétricas, a Samsung SDI fabrica baterias com alta densidade de energia e segurança. Essas baterias são mais finas e leves. 

Para veículos elétricos de duas rodas – como scooters elétricos e motocicletas elétricas – a Samsung SDI desenvolve baterias cilíndricas. Estas baterias são construídas com materiais de alta capacidade, designs estruturais únicos e qualidade consistente, tornando-as seguras e adequadas para desempenho máximo, longa vida útil e segurança. 

Para dispositivos de energia, a Samsung SDI possui baterias de alta saída e alta capacidade. Também fornece soluções ótimas de bateria OPE com alta densidade de energia, saída de energia estável e longa vida útil. Além disso, fabrica baterias com capacidade e saída diferenciadas. Por fim, a Samsung SDI também produz baterias altamente funcionais e de longa vida para dispositivos de TI, incluindo smartphones e wearables. 

No final de janeiro de 2025, a Samsung anunciou os resultados do quarto trimestre e do ano completo de 2024 com receita anual de KRW 16,59 trilhões (US$ 11,55 bilhões) e lucro operacional anual de KRW 363,3 bilhões em meio à desaceleração do mercado. No quarto trimestre, a receita da empresa foi de KRW 3,75 trilhões, registrando uma receita recorde no negócio de baterias ESS.

2. LG Energy Solutions

Em dezembro de 2024, a LG Energy Solutions iniciou conversas com a JSW Energy da Índia para fabricar baterias para veículos elétricos e armazenamento de energia renovável em uma joint venture que exigiria um investimento de mais de US$ 1,5 bilhão. Segundo relatórios públicos, as duas empresas assinaram um acordo inicial para formar uma parceria igualitária na qual a LGES contribuirá com a tecnologia e equipamentos para fabricação de baterias, e a JSW investirá dinheiro, disse uma das fontes.

Em geral, a empresa é conhecida por baterias de Solução de Armazenamento de Energia (ESS) e baterias automotivas avançadas. A divisão ESS oferece produtos de alta energia e alta potência para redes elétricas e produtos residenciais diversificados. Essas baterias são produzidas com tecnologia de célula de bateria de primeira linha derivada da aplicação de know-how avançado de processos de laminação e empilhamento, uma tecnologia proprietária da LG.

Essas baterias apresentam saída de energia uniforme, longa vida útil e estrutura estável. As baterias LG ESS também têm eficiência espacial aprimorada graças ao tamanho compacto. Ao aplicar células de bateria de polímero ultra-finas e de alta capacidade no desenvolvimento de ESS de rede e residencial, a empresa produz produtos finos que maximizam a utilização do espaço e requerem área mínima de instalação. 

A LG Energy Solutions também é o principal fornecedor de células, módulos, BMS (Sistema de Gerenciamento de Bateria) e produtos de pack para baterias de veículos elétricos. As soluções incluem baterias de alta densidade de energia que são leves e carregam rapidamente.

As diversas dimensões dessas baterias garantem a maximização do espaço ao resolver o problema da disponibilidade limitada de espaço em veículos comerciais. As células de bateria tipo pouch podem ser produzidas em vários comprimentos e larguras e são favoráveis ao aumento da capacidade da bateria e à otimização. 

Na última semana de janeiro de 2025, a LG Energy Solution anunciou seus resultados do quarto trimestre e do ano completo. Para o ano completo, a empresa reportou receita consolidada de KRW 25,6 trilhões e lucro operacional de KRW 575,4 bilhões, uma queda anual de 24,1% e 73,4%, respectivamente. A margem de lucro operacional foi de 2,2%, incluindo o efeito do crédito fiscal IRA.

O Futuro das Baterias

O futuro da tecnologia de baterias e da gestão de baterias buscará melhorias em múltiplas áreas. Procurará por energia específica e densidade de energia aprimoradas (mais energia armazenada por volume/peso), vida útil mais longa, menor inflamabilidade, menor tempo necessário para carga completa e redução do custo nivelado de energia (LOCE). 

Pesquisadores analisaram a trajetória tecnológica das baterias de íon-lítio para o período 2019-2030. Eles mencionaram quatro tipos prováveis de configurações tecnológicas: íon-lítio convencional, ânodo Gr-Si ou cátodo Hi-Ni, baterias de estado sólido e lítio-enxofre/ar. Os números sugerem que as novas tecnologias de baterias estão todas prontas para superar o íon-lítio convencional na próxima década. 

O surgimento de novas tecnologias de baterias reconsideraria a escolha de materiais de cátodo e ânodo. Por exemplo, uma bateria usando cátodo LFP tem densidade de energia menor que aquela que usa NMC. A seleção do material do cátodo é importante, pois afeta significativamente a energia específica no nível da célula completa.

A escolha do material do ânodo também é vital. O material do ânodo, tipicamente grafite, oferece espaço para os íons de lítio permanecerem quando a bateria é carregada. O número de íons de lítio armazenados está diretamente ligado à quantidade de energia elétrica armazenada.

Pesquisadores veem uma transição gradual na tecnologia de cátodos, passando de um percentual típico de Ni de 50% para 80% e 90%, respectivamente, nas baterias NMC e NCA. Para atender às necessidades de capacidade fornecidas pelos cátodos de alto percentual de Ni, a adição de uma pequena quantidade de óxidos de silício ou silício puro nos ânodos de grafite está ganhando preferência entre os fabricantes de células, segundo relatos. 

As cinco novas tecnologias de baterias que são esperadas para redefinir o futuro envolvem baterias de lítio-tungstênio NanoBolt, baterias de óxido de zinco-manganês, baterias de eletrólito organossilícico, baterias de eletrolito em gel com nanofios de ouro e baterias TankTwo String Cell™. 

As baterias NanoBolt de lítio-tungstênio, por exemplo, carregam mais rápido e armazenam mais energia. As baterias de óxido de zinco-manganês podem funcionar efetivamente como alternativa às baterias de íon-lítio e chumbo-ácido, especialmente para armazenamento de energia em grande escala para apoiar redes elétricas nacionais. 

Professores de química da Universidade de Wisconsin-Madison, Robert Hamers e Robert West, desenvolveram solventes líquidos à base de organossilício (OS) que podem engenheirados a nível molecular para os mercados industrial, militar e de consumo de baterias de íon-lítio.

Ao experimentar com géis, que não são tão combustíveis quanto líquidos, pesquisadores da Universidade da Califórnia, Irvine, tentaram revestir nanofios de ouro com dióxido de manganês e depois cobri-los com gel eletrolítico.

Embora nanofios geralmente sejam muito delicados para uso em baterias, essas soluções tornaram-se resilientes, e o eletrodo resultante, descobriram os pesquisadores, passou por 200.000 ciclos sem perder sua capacidade de manter carga. Isso comparado a 6.000 ciclos em uma bateria convencional.

A bateria String Cell™ continha uma coleção de pequenas células independentes auto-organizáveis. Cada célula de string consistia em um invólucro plástico coberto com um material condutor que permitia formar contato rapidamente com outras. Uma unidade de processamento interna controlava as conexões na célula eletroquímica.

Para facilitar o carregamento rápido de um VE, as pequenas esferas contidas na bateria foram sugadas e trocadas por células recarregadas na estação de serviço. Na estação, as células podiam ser recarregadas em horários de baixa demanda.

Com todas essas soluções à nossa disposição, várias inovações em baterias nos aguardam no futuro.