O Futuro da Mobilidade – Tecnologia de Bateria

O Surgimento dos Veículos Elétricos

Quando a Tesla foi fundada em 2003, a ideia de carros elétricos era vista principalmente como uma piada. Naquele momento, todos os carros elétricos eram essencialmente um carrinho de golfe glorificado com alcance de bateria pobre, baixo confort, tamanho pequeno e velocidade máxima muito baixa.

O Tesla Roadster (1ª geração, pois uma nova versão é esperada em 2026) mudou completamente essa percepção, com o desempenho de um carro esportivo de luxo, tornando os carros elétricos (VEs) subitamente legais.

A parte-chave que tornou os VEs subitamente viáveis foi o progresso na tecnologia de bateria. Inicialmente, isso foi impulsionado pelas costas das baterias de íon de lítio projetadas para o mercado de eletrônicos pequenos. E logo, sistemas mais dedicados foram desenvolvidos para dar aos VEs mais autonomia.

De um volume pequeno, mesmo em 2016, os carros elétricos (VEs) agora são uma parte em crescimento exponencial das vendas globais, com mais de 10 milhões de carros elétricos vendidos em 2022, ou 14% das vendas globais, com a China e a Europa liderando o caminho.

Vendas de VEs globais – Fonte: IEA

Ainda, apesar desse progresso, algumas perguntas permanecem abertas sobre a adoção dos VEs. As vendas de VEs desaceleraram diante da alta inflação e da necessidade de convencer o público em geral – não apenas os primeiros adotantes. Isso recentemente levou à adiamento ou cancelamento da estratégia de VE por fabricantes importantes, como GM, Ford ou Honda.

As Limitações Atuais

Os primeiros entusiastas dos VEs estavam felizes em usar veículos que pudessem ser mais neutros em carbono e representavam uma nova tecnologia. Compradores menos preocupados com o meio ambiente ainda são um pouco céticos em relação aos VEs por uma variedade de razões:

• Preço: A maioria dos VEs ainda custa mais do que seus equivalentes com motor de combustão interna (ICE). Com as taxas de juros subindo, isso pode tornar os VEs muito caros para muitas pessoas.
• Ansiedade de alcance: Uma maneira de reduzir o preço de um VE é escolher a opção de pacote de bateria menor. Mas então, o alcance mais baixo pode tornar as viagens longas difíceis, e o tempo de carregamento pode ser longo também.
• Clima frio: Quanto mais frio o clima, mais prejudicial é para as baterias. A maioria dos VEs precisa permanecer carregando nas noites de inverno se não estiverem em uma garagem quente. Além disso, o frio reduz o alcance teórico dos VEs.
• Infraestrutura de carregamento: Pessoas que vivem em apartamentos podem encontrar dificuldade em recarregar seus VEs se não houver estações de carregamento públicas suficientes disponíveis. Filas longas, carregamento lento ou nenhuma estação próxima podem tornar a experiência ruim.
• Segurança e durabilidade da bateria: As baterias de íon de lítio armazenam muita energia. E os eletrólitos na bateria são muito inflamáveis. Isso torna as baterias potencialmente um risco de segurança, especialmente em ambientes fechados como estacionamentos subterrâneos. Não que os carros com motor de combustão interna sejam não inflamáveis, mas ainda é uma preocupação.
• Grade de energia elétrica: Embora não seja uma preocupação para os compradores de VEs, pode se tornar um problema para o setor como um todo. As grades de energia elétrica já estão um pouco estressadas e podem não lidar bem com milhões de veículos que precisam ser recarregados. A fonte da eletricidade também é um problema, com muito dela vindo de fontes fósseis, incluindo carvão.

A maioria dos problemas com os VEs atuais pode ser resolvida com baterias melhores. Carregamento lento, alcance muito baixo, problemas de segurança, sensibilidade ao frio e até o preço são todas características das baterias de íon de lítio atuais.

Pesquisadores e líderes da indústria estão trabalhando arduamente para resolver essas deficiências, seja melhorando o design existente ou inventando maneiras completamente novas de construir baterias.

No geral, baterias mais densas significam baterias mais baratas, seguras, que também são mais propensas a durar mais e carregar mais rápido.

Melhorando as Baterias de Lítio

O primeiro passo é melhorar as baterias existentes e capitalizar a riqueza de conhecimento e experiência com essa tecnologia. Alguns pesquisadores veem a geração atual de baterias ainda capaz de ser melhorada incrementalmente até 2030: “Perspectivas para baterias de íon de lítio e além — uma visão para 2030”.

A primeira parte é melhorar a cátodo da bateria, que é atualmente feita principalmente de lítio e níquel nas baterias de íon de lítio. Uma compreensão mais profunda da estrutura cristalina e da mudança química quando uma bateria envelhece pode melhorar todas as especificações das baterias.

Ânodos, atualmente feitos de grafite, podem ser substituídos por silício ou óxido de silício 5x-10x mais densos em energia. Isso até agora tem sido difícil, pois os ânodos de silício tendem a “envelhecer” muito rapidamente. Misturas de grafite-silício já estão se tornando mais comuns e podem ajudar a aumentar a energia total das baterias.

Mudar os eletrólitos que conectam o ânodo e o cátodo também pode ajudar. Novos tipos de solventes líquidos, eletrólitos mais concentrados ou talvez até eletrólitos gelatinosos podem melhorar o perfil de segurança e aumentar a densidade da bateria.

Por fim, um melhor design é uma opção para otimizar a relação entre as baterias e os VEs. Muitos fabricantes de VEs estão começando a usar baterias estruturais, que são tanto armazenamento de energia quanto componentes estruturais do veículo. Isso pode reduzir o peso total do carro, levando a mais eficiência e alcance. Rolls-Royce, Tesla e Volvo já estão trabalhando nessa ideia, que poderia aumentar o alcance em 16%.

Baterias de Estado Sólido

Longamente teorizadas e lentamente tornadas realidade em laboratórios, baterias de estado sólido são frequentemente descritas como o Santo Graal da tecnologia de bateria.

A ideia é remover completamente a necessidade de eletrólitos líquidos, reduzindo drasticamente o peso da bateria e aumentando dramaticamente sua densidade. Remover o eletrólito inflamável deve tornar a bateria muito mais segura. Remover o eletrólito também deve simplificar o processo de produção; removendo até 3 semanas na linha de montagem.

Por fim, tais designs prometem uma recarga quase total em 3-5 minutos, ou cerca do mesmo tempo que leva para abastecer um carro com gasolina.

Muitas empresas estão falando sobre lançar sua própria versão de baterias de estado sólido já em 2026-2029. Isso inclui QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS), e Samsung SDI (006400.KS). Por enquanto, Tesla (TSLA) está trabalhando em uma alternativa às baterias de estado sólido, as células de bateria 4680 baseadas na tecnologia de íon de lítio.

Problemas com Baterias de Estado Sólido

O desenvolvimento de baterias de estado sólido tem sido afetado pelas dificuldades de escalar protótipos de laboratório para produtos fabricados em massa. Produção confiável, automatizada e de baixo custo ainda está em andamento, e a linha do tempo para a chegada ao mercado de baterias de estado sólido provavelmente está no horizonte de 2026-2028 no melhor dos casos.

Fonte: Vertex Holdings

Por fim, as baterias de estado sólido usarão muito mais lítio do que as baterias de íon de lítio atuais, algo que pode causar uma repetição do aumento vertiginoso do preço do lítio em 2022, quando ele subiu 10x em 2 anos. A reciclagem também pode ser difícil.

Baterias “Condensadas”

Talvez não precisemos esperar por baterias de estado sólido para ver baterias de alta densidade. CATL anunciou a criação de uma bateria de “matéria condensada”, capaz de alcançar 500 Wh/kg. A empresa também afirma a possibilidade de alcançar a produção em massa em um curto período de tempo, o que, vindo do líder do setor e não de uma pequena startup, é provavelmente credível.

Isso é um nível de densidade anteriormente acreditado ser alcançável apenas por baterias de estado sólido. Também é o nível necessário para começar a considerar aeronaves elétricas e outras aplicações que até agora foram impossíveis de eletrificar.

Químicas de Bateria Alternativas

Existem muitas possíveis alternativas ao íon de lítio para criar uma bateria. Mas apenas algumas químicas de bateria terão a combinação certa de leve, densa e segura para ser adequada para uso em aplicações móveis.

No longo prazo, algumas dessas baterias alternativas podem até substituir as baterias de lítio mais caras, pelo menos quando se trata do mercado automotivo de massa mais sensível ao preço.

Baterias de Lítio-Ferro(Ferrum)-Fosfato – LFP

As baterias LFP estiveram por muito tempo fora das aplicações de mobilidade devido à densidade de energia muito baixa, tipicamente 30-40% mais baixa do que uma bateria de íon de lítio clássica. A versão mais recente dessa química agora está alcançando o nível de densidade das baterias de íon de lítio de gerações anteriores, tornando-as viáveis para veículos de baixo custo.

Uma grande vantagem das LFP é que elas não requerem níquel ou cobalto, ambos responsáveis pelo preço das baterias de íon de lítio clássicas. Em contraste, ferro e fosfato são abundantes e baratos. As LFP também são mais propensas a durar mais, reduzindo ainda mais o custo total do sistema de bateria.

O principal fabricante de LFP é o chinês CATL (300750.SZ), junto com BYD (BYDDF), mesmo que a empresa agora esteja olhando para outras opções para manter sua posição de fabricante de metade das baterias do mundo.

No entanto, não negligencia o mercado de LFP após a revelação em agosto de 2023 de uma bateria LFP de 700 quilômetros que pode recarregar 400 km de alcance em apenas 10 minutos.

Íon de Sódio

Além do cobalto e do níquel, o lítio é o outro recurso caro que entra nas baterias de íon de lítio. Em contraste, o sódio é extremamente abundante e barato e muito menos provável de cair em curto fornecimento regularmente como o lítio.

O principal fabricante de carros chinês, BYD, anunciou sua intenção de usar baterias de íon de sódio para seus novos modelos de baixo preço Dolphin e Seagull, com o Seagull talvez tão barato quanto $10.000 (infelizmente, apenas na China).

Isso seguiu o anúncio de uma bateria de íon de sódio de alta densidade pela CATL em 2021. Em novembro de 2023, a Northvolt europeia anunciou um avanço no íon de sódio, alcançando a mesma densidade de energia de 160 watt-horas por quilograma que a CATL.

Embora ligeiramente menos densas em energia do que as LFP e muito menos do que as de íon de lítio, as baterias de íon de sódio podem ganhar o mercado de massa graças a um preço MUITO mais barato, potencialmente 1/3 do preço das baterias atuais que usam níquel.

Outras Químicas

Embora fosse muito longo olhar para cada uma delas individualmente, existem várias químicas potenciais que podem um dia se tornar concorrentes sérias para baterias usadas em aplicações de mobilidade. No entanto, essas tecnologias estão em uma etapa anterior, tornando sua adoção em VEs improvável no curto prazo.

Baterias de Vidro

Uma ideia intrigante, usando apenas materiais muito abundantes, que, por enquanto, outros pesquisadores têm lutado para replicar em seus próprios laboratórios. Mas considerando que essa ideia é apoiada por Mr. Goodenough, o inventor da bateria de íon de lítio, não é para ser descartada (infelizmente, Mr. Goodenough faleceu no verão de 2023).

Baterias de Grafeno

O grafeno, uma camada única de átomos de carbono, é extremamente condutor. A empresa Graphene Manufacturing Group (GMG.V) está impulsionando baterias de grafeno/alumínio, que podem ter uma densidade mais alta do que a de íon de lítio, enquanto carregam 70 vezes mais rápido e duram 3x mais. A empresa está trabalhando com a gigante mineradora (e mineradora de grafite) Rio Tinto para iniciar a produção em escala para 2025.

Baterias de Magnésio-Hidrogênio

Essas baterias usariam magnésio para substituir o lítio. Esse tipo de bateria foi descrito como “quase de estado sólido” e poderia lidar muito melhor com temperaturas tão baixas quanto -22 °C (- 7°F).

Baterias de Lítio-Enxofre

Essas baterias usariam lítio e enxofre em vez do caro cobalto e níquel. Mesmo nessa etapa inicial, elas exibem uma densidade de energia notavelmente alta. Elas, no entanto, foram afetadas por problemas de durabilidade e precisarão se tornar muito mais duráveis para serem uma boa alternativa às químicas existentes.

Fonte: Vertex Holdings

Baterias de Sódio-Enxofre

Essas baterias foram limitadas, até agora, a aplicações onde a bateria era mantida a altas temperaturas (300°C). No entanto, novos eletrólitos que impedem a dissolução de enxofre podem remover esse requisito. Portanto, pode se tornar um novo ângulo para encontrar baterias poderosas e baratas.

Baterias de Íon de Alumínio

Essa tecnologia substitui o ânodo de lítio por um ânodo de alumínio. Usando um polímero de substituição para o grafite, essas baterias podem alcançar alta capacidade de armazenamento.

Alumínio-Ar

Essas “baterias” funcionam consumindo alumínio como um combustível, dando ao VE que a usa um alcance maior do que um carro a gasolina (1.600 km por tanque), com uma densidade de energia muito mais densa do que a de íon de lítio (1.350 W/kg). Isso também a torna uma possível fonte de eletricidade para aviões elétricos.

O alumínio consumido pode ser substituído por alumínio fresco em 90 segundos, e o “combustível” gasto é reciclado. Essa tecnologia também pode ser combinada com VEs mais antigos para devolver a eles mais alcance.

Atualmente, o principal limite ao desenvolvimento dessa tecnologia parece ser que ela não recebe apoio público, não sendo uma bateria verdadeira, uma célula de combustível ou baseada em hidrogênio, tornando-a inelegível para apoio por políticas verdes existentes.