Energia
O Futuro da Mobilidade – Tecnologia de Baterias
A Ascensão dos Veículos Elétricos
Quando a Tesla foi fundada em 2003, a ideia de carros elétricos era vista principalmente como uma piada. Naquela época, todo carro elétrico era essencialmente um carrinho de golfe glorificado, com baixa autonomia de bateria, conforto reduzido, tamanho pequeno e velocidade máxima muito baixa.
O Tesla Roadster (1st generation, as uma nova versão está prevista para 2026) mudou completamente essa percepção, com desempenho de um carro esportivo de luxo, tornando os carros elétricos (EVs) repentinamente atraentes.
A parte crucial que tornou os EVs repentinamente viáveis foi o avanço na tecnologia de baterias. Inicialmente, isso se baseava nas baterias de íon‑lítio projetadas para o pequeno mercado eletrônico. Logo, sistemas mais dedicados foram desenvolvidos para proporcionar maior autonomia aos EVs.
De um volume pequeno ainda em 2016, os carros elétricos (EVs) agora representam uma parte de crescimento exponencial nas 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.
Vendas globais de EVs – Fonte: IEA
Ainda assim, apesar desse progresso, algumas questões permanecem abertas sobre a adoção dos EVs. As vendas de EVs desaceleraram diante da alta inflação e da necessidade de convencer o público em geral – não apenas os primeiros adotantes. Isso levou recentemente ao adiamento ou cancelamento da estratégia de EVs por grandes fabricantes, como GM, Ford ou Honda.
As Limitações Atuais
Os primeiros entusiastas de EVs estavam satisfeitos em usar veículos que poderiam ser mais neutros em carbono e representavam uma nova tecnologia. Compradores menos preocupados com o meio ambiente ainda são um tanto céticos em relação aos EVs por diversas razões:
- Preço: A maioria dos EVs ainda custa mais que seu equivalente com motor de combustão interna (ICE). Com as taxas de juros subindo, isso pode tornar os EVs muito caros para muitas pessoas.
- Ansiedade de autonomia: Uma forma de reduzir o preço de um EV é escolher a opção de pacote de bateria menor. Mas então, menor autonomia pode tornar viagens longas difíceis, e o tempo de carregamento também pode ser longo.
- Clima frio: Quanto mais frio o clima, mais prejudicial ele se torna para as baterias. A maioria dos EVs precisa permanecer carregando nas noites de inverno se não estiver em uma garagem aquecida. Além disso, o frio reduz a autonomia teórica dos EVs.
- Infraestrutura de carregamento: Pessoas que vivem em apartamentos podem achar difícil recarregar seus EVs se não houver estações públicas de carregamento suficientes disponíveis. Longas filas, carregamento lento ou ausência de estações próximas podem gerar uma experiência ruim.
- Segurança e durabilidade da bateria: As baterias de íon‑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 garagens subterrâneas. Não que os carros ICE sejam não inflamáveis, mas ainda é uma preocupação.
- Rede elétrica: Embora não seja realmente uma preocupação para compradores de EVs, pode se tornar um problema para o setor como um todo. As redes elétricas já estão um tanto sobrecarregadas e podem não lidar bem com milhões de veículos precisando recarregar. A fonte da eletricidade também é um problema, com grande parte vindo de combustíveis fósseis, incluindo carvão.
A maioria dos problemas dos EVs atuais pode ser resolvida com baterias melhores. Carregamento lento, autonomia insuficiente, questões de segurança, sensibilidade ao frio e até o preço são todas características das baterias de íon‑lítio atuais.
Pesquisadores e líderes da indústria estão trabalhando arduamente para resolver essas deficiências, seja aprimorando o design existente ou inventando maneiras totalmente novas de construir baterias.
No geral, baterias mais densas significam baterias mais baratas e seguras, que também tendem a durar mais e carregar mais rapidamente.
Melhorando as Baterias de Lítio
O primeiro passo é melhorar as baterias existentes e capitalizar o vasto conhecimento e experiência com essa tecnologia. Alguns pesquisadores acreditam que a geração atual de baterias ainda pode ser aprimorada incrementalmente até 2030: “Perspectivas para baterias de íon‑lítio e além — uma visão para 2030”.
A primeira parte é melhorar o cátodo da bateria, que atualmente é principalmente feita de lítio e níquel nas baterias de íon‑lítio. Uma compreensão mais profunda da estrutura cristalina e das mudanças químicas quando a bateria envelhece poderia melhorar todas as especificações das baterias.
Anodos, atualmente feitos de grafite, poderiam ser substituídos por silício ou óxido de silício 5 a 10 vezes mais denso em energia. Até agora isso tem sido difícil, pois os ânodos de silício tendem a “envelhecer” muito rapidamente. Misturas de grafite e silício já estão se tornando mais comuns e podem ajudar a aumentar a energia total das baterias.
Alterar os eletrólitos que conectam o ânodo e o cátodo também poderia ajudar. Novos tipos de solventes líquidos, eletrólitos mais concentrados ou até mesmo eletrólitos em forma de gel poderiam melhorar o perfil de segurança e aumentar a densidade da bateria.
Por fim, um design melhor é uma opção para otimizar a relação entre baterias e EVs. Muitos fabricantes de EVs estão começando a usar as chamadas 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 autonomia. Rolls‑Royce, Tesla e Volvo já estão trabalhando nessa ideia, que poderia aumentar a autonomia em 16%.
Baterias de Estado Sólido
Longamente teorizadas e lentamente se tornando realidade em laboratórios, as baterias de estado sólido são frequentemente descritas como o Santo Graal da tecnologia de baterias.
A ideia é eliminar 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. A remoção do eletrólito também deve simplificar o processo de produção; removendo até 3 semanas na linha de fabricação.
Por fim, esses designs prometem quase recarga completa em 3‑5 minutos, ou aproximadamente o mesmo tempo que leva para abastecer um carro com gasolina.
Muitas empresas falam em lançar sua própria versão de baterias de estado sólido já entre 2026‑2029. Isso inclui QuantumScape (QS), CATL (300750.SZ), Toyota (TM), Panasonic (6752.T), LG (051910.KS) e Samsung SDI (006400.KS). Por enquanto, a Tesla (TSLA) está trabalhando em sua própria alternativa às baterias de estado sólido, as células de bateria 4680 baseadas na tecnologia de íon‑lítio.
Problemas das Baterias de Estado Sólido
O desenvolvimento de baterias de estado sólido tem sido atormentado pelas dificuldades de escalar protótipos de laboratório para produtos fabricados em massa. Produção confiável, automatizada e de baixo custo ainda está em desenvolvimento, e o cronograma para a chegada ao mercado das baterias de estado sólido provavelmente está no horizonte de 2026‑2028, no melhor cenário.
Fonte: Vertex Holdings
Por fim, as baterias de estado sólido usarão muito mais lítio do que as baterias de íon‑lítio atuais, algo que pode causar uma repetição do aumento vertiginoso do preço do lítio em 2022, quando ele subiu 10 vezes em 2 anos. A reciclagem também pode ser difícil.
Baterias “Condensadas”
Talvez não precisemos esperar pelas baterias de estado sólido para ver baterias de altíssima densidade. A CATL anunciou a criação de uma bateria de “matéria condensada”, capaz de alcançar 500 Wh/kg. A empresa também afirma a possibilidade de alcançar produção em massa em curto prazo, o que, vindo do líder do setor e não de uma startup pequena, parece credível.
Este é um nível de densidade anteriormente acreditado como alcançável apenas por baterias de estado sólido. Também é o nível necessário para começar a considerar aeronaves elétricas e outras aplicações que até agora eram impossíveis de eletrificar.
Químicas Alternativas de Baterias
Existem muitas alternativas possíveis ao íon‑lítio para criar uma bateria. Mas apenas algumas químicas de bateria terão a combinação certa de leveza, alta densidade e segurança para serem adequadas ao uso em aplicações móveis.
A longo prazo, algumas dessas baterias alternativas podem até substituir as baterias de lítio mais caras, pelo menos no que diz respeito ao mercado automotivo de massa mais sensível ao preço.
Baterias de Fosfato de Ferro‑Lítio (LFP)
As baterias LFP estiveram por muito tempo fora das aplicações de mobilidade devido à baixa densidade de energia, tipicamente 30‑40 % menor que uma bateria de íon‑lítio clássica. A versão mais recente desta química agora está alcançando o nível de densidade das baterias de íon‑lítio de geração anterior, tornando‑as viáveis para veículos de baixo custo.
Uma grande vantagem do LFP é que não requer nenhum níquel ou cobalto, ambos responsáveis pelo preço das baterias de íon‑lítio clássicas. Em contraste, ferro e fosfato são abundantes e baratos. As baterias LFP também têm maior probabilidade de durar mais, reduzindo ainda mais o custo total de vida do sistema de bateria.
O principal fabricante de LFP é a chinesa CATL (300750.SZ), junto com a BYD (BYDDF), embora a empresa esteja agora avaliando outras opções para manter sua posição de fabricante de metade das baterias do mundo.
No entanto, isso não negligencia o mercado LFP após a revelação em agosto de 2023 de uma bateria LFP de 700 km que pode recarregar 400 km de autonomia em apenas 10 minutos.
Sódio‑Íon
Além do cobalto e níquel, o lítio é o outro recurso caro que entra nas baterias de íon‑lítio. Em contraste, o sódio é extremamente abundante e barato e muito menos propenso a ficar escasso regularmente como o lítio.
O principal fabricante chinês de automóveis, BYD, anunciou sua intenção de usar baterias de sódio‑íon para seus novos modelos de baixo preço Dolphin e Seagull, sendo o Seagull talvez tão barato quanto US$ 10.000 (infelizmente, apenas na China).
Isso seguiu o anúncio de uma bateria de sódio‑íon de alta densidade pela CATL em 2021. Em novembro de 2023, a europeia Northvolt anunciou um avanço no sódio‑íon, alcançando a mesma densidade de energia de 160 Wh/kg que a CATL.
Embora ligeiramente menos densa em energia que o LFP e muito menos que o íon‑lítio, o sódio‑íon pode conquistar o mercado de massa graças a um preço MUITO mais barato, potencialmente 1/3 do preço das baterias atuais que utilizam níquel.
Outras Químicas
Embora fosse muito longo analisar cada uma individualmente, há várias outras químicas potenciais que podem, um dia, tornar‑se concorrentes sérias para baterias usadas em aplicações de mobilidade. Mas essas tecnologias estão em estágio mais inicial, tornando sua adoção em EVs improvável a curto prazo.
Baterias de Vidro
Uma ideia intrigante, usando apenas materiais muito abundantes, que até agora outros pesquisadores têm dificuldade em replicar em seus próprios laboratórios. Mas considerando que essa ideia é apoiada por Sr. Goodenough, o inventor da bateria de íon‑lítio, não deve ser descartada (infelizmente, o Sr. Goodenough faleceu no verão de 2023).
Baterias de Grafeno
Grafeno, uma camada única de átomos de carbono, é extremamente condutor. A empresa Graphene Manufacturing Group (GMG.V) está promovendo baterias de grafeno/alumínio, que poderiam ter densidade maior que a do íon‑lítio enquanto carregam 70 vezes mais rápido e duram 3 vezes mais. A empresa está trabalhando com a gigante de mineração (e mineradora de grafite) Rio Tinto para iniciar produção em escala para 2025.
Baterias de Hidrogênio de Manganês
Essas baterias usariam magnésio para substituir o lítio. Esse tipo de bateria foi descrito como “quase estado sólido” e poderia operar muito melhor em temperaturas tão baixas quanto -22 °C (- 7 °F).
Baterias de Lítio‑Enxofre
Essas baterias usariam lítio e enxofre em vez de cobalto e níquel caros. Mesmo neste estágio inicial, apresentam uma densidade de energia notavelmente alta. Contudo, têm sido atormentadas por problemas de durabilidade e precisarão se tornar muito mais duráveis para ser uma boa alternativa às químicas existentes.
Fonte: Vertex Holdings
Baterias de Sódio‑Enxofre
Essas baterias, até agora, foram limitadas a aplicações onde a bateria era mantida em altas temperaturas (300 °C). No entanto, novos eletrólitos que impedem a dissolução do enxofre poderiam eliminar essa exigência. Assim, pode se tornar um novo caminho para encontrar baterias poderosas e baratas.
Baterias de Íon‑Alumínio
Essa tecnologia substitui o ânodo de lítio por um de alumínio. Ao usar um polímero substituto do grafite, essas baterias poderiam alcançar alta capacidade de armazenamento.
Alumínio‑Ar
Essas “baterias” funcionam consumindo alumínio como combustível, proporcionando ao EV que as utiliza uma autonomia maior que um carro a combustão (1.600 km por tanque), com densidade de energia muito maior que a do íon‑lítio (1.350 W/kg). Isso também as torna uma potencial fonte de energia elétrica para aviões elétricos.
O alumínio consumido pode então ser substituído por alumínio novo em 90 segundos, e o “combustível” gasto é reciclado. Essa tecnologia também poderia ser combinada com EVs mais antigos para devolver-lhes mais autonomia.
Atualmente, o principal limite ao desenvolvimento dessa tecnologia parece ser a falta de apoio público, por não ser uma bateria verdadeira, uma célula de combustível ou baseada em hidrogênio, tornando‑a inelegível para apoio pelas políticas verdes existentes.
