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Baterias Ultra-Duráveis: Por que a Tecnologia de Próxima Geração Durará Décadas, Não Apenas Anos

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Baterias Feitas Para Durar

À medida que o mundo se eletrifica e migra para energia renovável, a necessidade de maior armazenamento de energia cresce. Isso é em parte impulsionado pela transição para veículos elétricos, mas também pela natureza intermitente da produção renovável.

Isso pode ser parcialmente compensado por outras fontes de energia de baixo carbono, como hidrelétrica ou nuclear, ou talvez energia geotérmica no futuro. Ainda assim, os defensores da energia verde prefeririam, de longe, que a energia solar (e eólica) de baixo custo fosse a base dos nossos sistemas energéticos.

Isso cria uma demanda por baterias com características fundamentalmente diferentes das necessárias para mobilidade.

Os veículos elétricos precisam de baterias muito densas em energia, que sejam leves o suficiente e pequenas o bastante para serem acomodadas na estrutura de um carro. A durabilidade é uma preocupação, mas enquanto a bateria puder funcionar por 10‑15 anos, isso provavelmente está alinhado com a durabilidade dos demais componentes do veículo.

Em contraste, as baterias de armazenamento de energia são muito menos limitadas por peso ou volume. No entanto, elas são definitivamente limitadas pelo custo, pois representam um custo adicional à produção de energia verde e à rede elétrica.

Uma maneira de reduzir o custo do armazenamento de energia é usar material menos caro que o lítio para construir a bateria. Muitas alternativas estão sendo consideradas, como discutimos anteriormente em “O Futuro do Armazenamento de Energia – Tecnologia de Baterias em Escala de Utilidade”: baterias que utilizam tecnologias como íon‑sódio, ferro‑ar, zinco, sal marinho, polímeros, sódio‑enxofre ou até metais fundidos.

Outro elemento chave para reduzir o custo de vida útil de um sistema de bateria é fazê-lo durar várias décadas. Ao amortizar o investimento ao longo de muitos anos, isso reduz significativamente o custo de capital da bateria por ano. E isso é algo com que as empresas de energia provavelmente se sentirão mais à vontade, pois estão acostumadas a amortizar novas usinas ao longo de períodos de 30‑50 anos.

Por Que as Baterias Falham?

Morte Por Dendritos

Antes de construir uma bateria que dure quase para sempre, precisamos entender por que a maioria das baterias perde carga ao longo do tempo ou deixa de funcionar.

Um fator chave, especialmente nas baterias de íon‑lítio, é o crescimento de dendritos. Essa estrutura semelhante a estalactites se forma a partir do acúmulo inadequado de metal na bateria e, com o tempo, pode romper a barreira entre o cátodo e o ânodo, potencialmente levando a um curto‑circuito e a um incêndio catastrófico.

Fonte: Nobel Prize

Devido a esse risco de incêndio, os dendritos são um problema especialmente sério para as empresas de energia, pois o fogo em uma célula de bateria pode se espalhar rapidamente para todo um parque de baterias de vários bilhões nas proximidades. Portanto, idealmente, uma tecnologia de bateria projetada para durar deve ter quase nenhum risco de formação desses dendritos.

Também deve ser observado que, embora os dendritos sejam mais discutidos em baterias de íon‑lítio, esse é um problema comum na maioria das baterias que utilizam ânodos e/ou cátodos metálicos.

Perda de Carga

Outra forma de falha das baterias é perder lentamente sua capacidade de armazenar energia. Isso geralmente resulta de parte do metal usado no eletrodo que se acumula lentamente em uma forma que não pode ser reconvertida em algo útil.

Fonte: EnergSoft

Outras causas podem ser pequenas fissuras formadas por estresse mecânico e térmico, perda de integridade estrutural, acúmulo de depósitos indesejados, etc.

Fonte: EnergSoft

Portanto, quanto mais uma tecnologia de bateria for suscetível a essa degradação lenta, maior será a queda da carga total, tornando a bateria progressivamente inútil. Além disso, baterias degradadas tendem a reter carga de forma menos eficiente e desperdiçar mais energia armazenada, tornando-as ainda menos lucrativas.

Assim, a tecnologia de bateria ideal não seria suscetível à degradação lenta de seus materiais constituintes, ou poderia ser regularmente regenerada a um estado ótimo sem a necessidade de reciclar todo o sistema.

Se você quiser aprender os detalhes de como as baterias se degradam, também pode consultar este vídeo de 22 minutos:

Vida Útil por Ciclo

A durabilidade da bateria pode ser algo complexo de medir. Por exemplo, a maioria dos sistemas de bateria de veículos elétricos costuma ser medida por milha percorrida, ou seja, a distância que os EVs podem percorrer antes de precisar de um novo conjunto de baterias.

Outra forma de medi‑la é pelo número de ciclos de carga‑descarga que podem ser realizados antes que a bateria perca uma parte significativa de sua carga total. Para armazenamento de energia, espera‑se um ciclo regular de carga‑descarga, de até 1‑3 vezes por dia.

Por fim, por quanto tempo uma carga pode ser mantida também é uma questão importante, já que a maioria das baterias perde um pouco de sua carga a cada dia. Enquanto isso, o vento pode parar de soprar por semanas, e os dias de inverno são os que têm menos sol e maior consumo de energia, especialmente em climas frios. Portanto, em teoria, uma bateria capaz de armazenar energia sem muita perda por semanas ou até meses seria a opção ideal.

Tolerância à Temperatura

A maioria das tecnologias de bateria pode ser mais que um pouco intolerante ao frio, especialmente temperaturas de congelamento. Como o armazenamento de energia em larga escala provavelmente será realizado ao ar livre, próximo a uma usina, isso pode ser um problema sério em climas frios durante o inverno. Se uma parte significativa da energia armazenada for usada para aquecer as baterias, isso pode impactar severamente a economia de operação dessas baterias.

Tecnologias de Baterias Ultra Duráveis

Baterias em Favo de Mel

Mesmo que, em última análise, as químicas alternativas sejam as vencedoras para alimentar uma rede elétrica totalmente centrada em renováveis, os fabricantes de baterias também buscam maneiras de tornar sua tecnologia atual mais durável.

Um exemplo disso são as 300750.SZ baterias em favo de mel. O gigante de baterias CATL, que produz mais da metade das baterias do mundo, está apostando fortemente nessa tecnologia. Parece basear‑se parcialmente em uma ideia proposta já em um artigo científico de 2020 intitulado “Bateria de íon‑lítio extensível baseada em nova estrutura micro‑favo de mel”.

Fonte: Phys.org

A partir de um artigo científico de 2021, podemos aprender algumas das principais vantagens das formas em favo de mel, notavelmente baixa densidade e altas propriedades de compressão e cisalhamento fora do plano (resistência dos materiais a forças que atuam em paralelo, mas em direções opostas).

Essa mudança na configuração física da bateria mantém o material no lugar correto, evitando fissuras e contrações durante a carga.

Embora não esteja claro como a CATL fez isso, alguns desses métodos são conhecidos; por exemplo, tratamentos térmicos e químicos sucessivos com carbono e ácido podem criar uma estrutura nano‑favo de mel.

No geral, a estrutura de bateria em favo de mel parece evitar fissuras e a formação de dendritos, criando uma bateria ultra‑durável enquanto ainda se baseia no princípio bem compreendido das tecnologias de baterias de íon‑lítio e LFP (fosfato de ferro‑lítio).

É provável que esteja no cerne do novo produto da CATL, o sistema de bateria LFP contêinerizado TENER, que demonstrou zero degradação de capacidade após 5 anos completos de operação.

O TENER está agora começando a ser comercializado pela CATL para empresas de energia.

Fonte: Sustainability Environment

Baterias de Estado Sólido

Além da modificação da química, a própria forma como as baterias são construídas pode ser alterada para tornar as baterias mais densas e mais duráveis.

Essa é a ideia por trás das baterias de estado sólido, que substituem o eletrólito líquido na maioria dos projetos de bateria por uma camada de metal sólido. Em teoria, isso deveria produzir as baterias mais energéticas, embora talvez não sejam as mais baratas.

Até recentemente, essa ideia era difícil de implementar em escala, pois requer um contato perfeito entre as camadas metálicas. O movimento mecânico durante carga‑descarga também costuma levar à formação de fissuras.

No entanto, desenvolvimentos recentes de várias empresas como QuantumScape (QS ), Toyota (TM ), Samsung SDI (006400.KS) ou Hyundai (HYMTF) de fábricas de baterias e produção em massa para 2028‑2030 indicam que a tecnologia está se tornando madura.

Em teoria, baterias de estado sólido bem desenvolvidas poderiam substituir progressivamente todas as baterias de íon‑lítio, LFP e até mesmo as de íon‑sódio em veículos elétricos.

Seu preço final ainda precisa ser visto quando produzidas em escala para determinar se serão suficientemente baratas para aplicações de armazenamento de energia em rede. Talvez conceitos especiais como baterias de estado sólido de sódio sem ânodo possam atender a essa tarefa, pois evitariam o uso de lítio metálico caro.

(Você pode aprender mais sobre oportunidades de investimento nesta tecnologia em “5 Melhores Ações de Baterias de Estado Sólido para Observar ou Comprar”).

Baterias de Zinco

Como o zinco é um metal muito barato e abundante, tem sido usado em baterias não recarregáveis por muito tempo. Baterias reutilizáveis também podem ser construídas com zinco, notadamente baterias aquosas à base de zinco (ZABs).

No entanto, é um design que tem sido atormentado pela formação de dendritos, reação parasítica de evolução de hidrogênio (HER) e passivação por corrosão superficial, reduzindo severamente sua utilidade.

Isso está mudando graças a novas pesquisas realizadas na Universidade Técnica de Munique1. Eles usaram um polímero orgânico poroso chamado TpBD-2F. Esse material forma um filme estável, ultra‑fino e altamente ordenado no ânodo de zinco, permitindo que íons de zinco fluam eficientemente através de nano‑canais enquanto mantêm a água afastada do ânodo.

As células completas montadas (capacitores de íon‑zinco) oferecem uma vida de ciclo ultra‑longa de mais de 100.000 ciclos, uma durabilidade impressionante, graças à supressão quase completa da formação de dendritos, bem como à ausência de HER e corrosão.

Além das baterias de zinco, os pesquisadores acreditam que esse conceito poderia ser expandido para outros ânodos metálicos: lítio, sódio, potássio, alumínio, etc.

Baterias TAQ-Polímero e Íon-Sódio

Polímero (carbono) e sódio em vez de lítio podem ser uma ótima maneira de reduzir o preço das matérias‑primas que entram em uma bateria. Foi isso que pesquisadores do MIT combinaram em sua bateria TAQ‑sódio‑íon.

Nos testes iniciais, ela realizou 2.000 ciclos de carga‑descarga sem degradação visível, ao mesmo tempo em que apresentava maior densidade de energia que as baterias de lítio e carga ultra‑rápida de 6 minutos.

Isso demonstra que, em última análise, a química de bateria mais provável de vencer a corrida por baterias ultra‑duráveis pode não ser apenas mais do mesmo, mas uma reavaliação radical dos materiais que podem ser usados em uma bateria, com elementos baratos e abundantes como carbono e sódio sendo bons candidatos.

Baterias de Metal Fundido

A maioria dos conceitos de bateria baseia‑se na transferência de elétrons entre um estado de oxidação de átomos de metal sólido para outro estado de oxidação. Neles, ânodos e cátodos precisam estar perfeitamente separados para evitar curtos‑circuitos.

Quanto mais metal e menos partes líquidas, como eletrólitos, melhor, como nas baterias de estado sólido, ou assim segue a direção da maior parte da indústria de baterias.

Expandindo radicalmente o que pode ser considerado uma bateria, as baterias de metal fundido fazem o oposto: todos os três componentes principais, ânodo, cátodo e eletrólito, são líquidos.

Eles se separam espontaneamente uns dos outros graças a diferentes densidades líquidas. O fato de não haver componentes sólidos deve, em teoria, aumentar dramaticamente a vida útil da bateria, além de permitir que ela carregue e descarregue muito rapidamente e seja totalmente reciclável.

Fonte: Ambri

A empresa apoiada por Bill Gates, Ambri, que usa uma bateria de cálcio e antimônio, tem sido uma campeã dessa tecnologia. Ela planejava produze 200.000 células de bateria por ano em sua nova fábrica até 2024.

Isso, porém, não se concretizou, pois a empresa ficou sem dinheiro antes de conseguir ampliar a produção. Desde então, surgiu da falência do capítulo 11 no verão de 2024, e ainda será liderada pelo co‑fundador Dr. David Bradwell como seu CEO.

Estamos ansiosos para oferecer nosso produto comercial único, seguro e de baixo custo aos nossos clientes em escala, para atender à forte demanda dos clientes por nossos sistemas de bateria e por um futuro energético mais limpo.

Ao iniciarmos este novo começo com um balanço patrimonial mais forte e novo capital, estamos focados em posicionar a Ambri para desempenhar um papel de liderança no mercado de armazenamento de energia de longa duração, em benefício de nossos stakeholders.

David Bradwell

Portanto, a Ambri ainda não está morta, e não é a única empresa que trabalha com baterias fundidas. O isolante japonês NGK (NGKIF) também está trabalhando em uma bateria de sal fundido sódio‑enxofre, e a empresa Horien está trabalhando em uma bateria de sódio‑níquel‑cloreto.

Ambos os produtos das empresas já estão comercializados e classificados para uma vida útil de mais de 20 anos.

Baterias de Calor / Térmicas

Estendendo ainda mais a definição de bateria do armazenamento de eletricidade para simplesmente qualquer armazenamento de energia, as baterias de calor armazenam energia verde na forma de calor em vez de energia eletroquímica.

Isso pode trazer várias vantagens importantes em relação às baterias “normais”:

  • Retenção de calor por vários meses é perfeitamente viável com isolamento suficiente, enquanto baterias químicas sempre perderão mais energia por dia.
  • A maior parte do material que retém calor pode ser ciclada centenas de milhares de vezes sem degradação significativa.
  • Os materiais usados são baratos e abundantes, como, por exemplo, areia ou carbono puro.

A combinação de materiais baratos, quase zero degradação ao longo de décadas e retenção de energia por vários meses faz das baterias de calor um bom candidato.

São principalmente empresas privadas que exploram essa ideia, notavelmente a empresa finlandesa Polar Night Energy, que armazena energia excedente do verão para o inverno, usando apenas areia de baixa qualidade e um pouco de metal para a estrutura e tubulação.

Uma bateria de calor semelhante é imaginada pela Rondo Energy, com tijolos cerâmicos que podem ser aquecidos até 1500 °C, usando o calor para processos industriais como produção de cimento ou aço.

Fonte: Rondo Energy

No geral, isso pode ser uma ótima opção para descarbonizar setores que ainda consomem muitos combustíveis fósseis, como a indústria pesada e o aquecimento de apartamentos no inverno. Especialmente porque o design pode ajudar a armazenar energia do verão ensolarado para o inverno nublado.

O calor armazenado poderia até ser convertido de volta em energia, graças a células termofotovoltaicas, com pesquisadores da Universidade de Michigan que desenvolveram células com um recorde de 44% de eficiência2.

Fonte: Design Boom

Conclusão

Os sistemas de baterias para redes elétricas e residências provavelmente dependerão menos da tecnologia atual de íon‑lítio e mais de tecnologias mais baratas e duráveis, mesmo que sejam menos densas em energia. Por enquanto, as que estão prontas para comercialização em massa são as avançadas baterias de estrutura em favo de mel LFP e as baterias de íon‑sódio.

A longo prazo, soluções mais exóticas provavelmente serão adicionadas ao mix, como baterias de metal fundido, zinco, polímero ou calor. Em última análise, a durabilidade, o custo dos materiais e o custo de fabricação provavelmente serão o fator determinante de qual será a “forma final” do armazenamento de energia ultra‑durável.

Ou seja, se as baterias de estado sólido não se revelarem baratas o suficiente para dominar todo o mercado de armazenamento de energia, o que é uma possibilidade distinta.

Empresa de Baterias Ultra-Duráveis

QuantumScape

QS Gráfico de preços

Desde sua fundação em 2010, a californiana Quantum Scape tem sido uma startup proeminente no espaço de baterias de estado sólido, notável por sua entrada precoce no campo e por sua independência de grandes fabricantes de baterias que também buscam a tecnologia de estado sólido, como a CATL (300750.SZ), Samsung ou LG Energy Solution (373220.KS).

Um recurso único das baterias QuantumScape, que na época foi considerado revolucionário, é o uso de um design sem ânodo. Ele permite carga rápida de ~15 minutos (10‑80% a 45 ºC) e o separador é incombustível e não inflamável.

Isso também coloca as baterias QuantumScape em uma categoria própria quando se trata de densidade de energia e velocidade de carregamento, superando massivamente líderes como a Tesla (TSLA ) (tanto seu próprio design quanto os feitos pela CATL).

No entanto, esses desempenhos notáveis têm sido regularmente dificultados por dificuldades em ampliar a produção. Isso também forçou a empresa a queimar seu caixa, levando à diluição dos investidores anteriores e à queda dos preços das ações.

Isso parece estar mudando desde o acordo de 2024 com a PowerCo, a divisão de baterias do Grupo Volkswagen, para um contrato de licenciamento do design e produção em massa das baterias QuantumScape pela PowerCo.

Sob o contrato de licenciamento não exclusivo, a PowerCo pode fabricar até 40 gigawatt‑horas por ano de baterias para veículos elétricos, com a opção de expandir para 80 GWh por ano.

A súbita ampliação da produção da QuantumScape parece estar ligada a Cobra, o equipamento separador de bateria de estado sólido de próxima geração da empresa, um avanço na fabricação de cerâmicas.

No geral, a Cobra deve ser integrada à produção em 2025, e o primeiro veículo elétrico acabado usando baterias QuantumScape deve ser produzido em 2026.

Isso pode ser um ponto de virada para a empresa, passando, 16 anos após sua fundação, de uma startup promissora com IP interessante para gerar receitas crescentes a partir de uma parceria com um dos maiores fabricantes de automóveis do mundo.

Enquanto isso, os investidores ainda devem esperar alguma volatilidade no preço das ações, mas com uma luz no fim do túnel de desenvolvimento do produto.

Novidades sobre a QuantumScape

Referência do Estudo:

1. Da Lei, et al, (2024) Ion-Transport Kinetics and Interface Stability Augmentation of Zinc Anodes Based on Fluorinated Covalent Organic Framework Thin Films. Advanced Energy Materials. 13 outubro de 2024

2. Bosun Roy-Layinde, et al. (2024) High-efficiency air-bridge thermophotovoltaic cells. Joule. Volume 8, Issue 7, p2135-2145. 17 de julho de 2024.

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Jonathan é um ex‑pesquisador bioquímico que trabalhou em análise genética e ensaios clínicos. Ele agora é analista de ações e escritor financeiro com foco em inovação, ciclos de mercado e geopolítica em sua publicação 'The Eurasian Century'.