Energia
O Trabalho Continua nas Baterias de Estado Sólido enquanto os Pesquisadores se Focam nos Essenciais
Baterias de estado sólido, que são usadas em smartphones, ferramentas elétricas e veículos elétricos, diferem das baterias de íon‑lítio no uso de eletrólitos. Enquanto uma bateria de íon‑lítio utiliza um eletrólito líquido, uma bateria de estado sólido utiliza um eletrólito sólido.
No caso das baterias de íon‑lítio, há um separador presente para manter o cátodo e o ânodo separados. Nas baterias de estado sólido, o eletrólito sólido também desempenha a função de separador.
Embora esses sejam apenas recursos de distinção, a comunidade científica e tecnológica desenvolveu baterias de estado sólido porque elas apresentam maior estabilidade com uma estrutura sólida e maior segurança. Continuam a trabalhar nelas, pois essas baterias mantêm sua forma mesmo se o eletrólito for danificado.
Uma bateria de estado sólido possui maior densidade de energia e quase não corre risco de explosão ou incêndio. Como não requer componentes de segurança, há mais espaço disponível para inserir materiais ativos, aumentando a capacidade da bateria. A densidade de energia aprimorada também garante que a necessidade de baterias permaneça baixa, resultando em um sistema de bateria de VE ótimo para o módulo e o pack.
Por esses benefícios, principalmente, os especialistas de mercado acreditam que as baterias de estado sólido surgirão como um divisor de águas ao fazer os VEs competirem com os veículos com motor de combustão interna (ICEVs) e, eventualmente, avançarem na corrida. Mas isso não impede os pesquisadores de explorar como as baterias de estado sólido poderiam ser tornadas mais úteis. Em uma dessas pesquisas, os cientistas propuseram o caso de uma bateria de estado sólido de metal de lítio ultra‑fina com alta densidade de energia, habilitada por um eletrólito sólido do tipo granada à prova de Li2CO3.
Embora tudo isso possa parecer muito técnico, na próxima seção, aprofundaremos a compreensão do que a pesquisa pretende alcançar!
Habilitando uma Plataforma de Bateria de Estado Sólido de Metal de Lítio Ultra‑Fina com Alta Estabilidade e Densidade de Energia
O professor Byoungwoo Kang e o Dr. Abin Kim, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da POSTECH, desenvolveram um eletrólito sólido que possibilita uma plataforma de bateria de estado sólido de metal de lítio ultra‑fina com alta estabilidade e densidade de energia.
A descoberta alcançou resultados ao resolver uma das causas mais comuns de preocupação enfrentadas pelas baterias de estado sólido. Qual era esse problema e como poderia ser solucionado? Vamos analisar detalhadamente abaixo!
A Preocupação com o LLZO
O eletrólito sólido do tipo granada usado em baterias de estado sólido, também conhecido como Li7La3Zr2O12 ou LLZO, possui alta condutividade iônica. Simultaneamente, é altamente reativo e forma uma camada de contaminação (Li2CO3) em sua superfície quando exposto ao ar. Essa camada traz várias desvantagens ou obstáculos, incluindo a formação de uma barreira resistiva na construção da célula, redução nas propriedades de contato e interfaciais dos eletrólitos e reagentes, etc.
A inovação abordou esse obstáculo e o reverteu ao focar nos essenciais inerentes, em vez de buscar uma solução externa. Os pesquisadores desenvolveram uma tecnologia LLZO manipulável ao ar (AH-LLZO) que pode melhorar simultaneamente as propriedades superficiais e internas do LLZO e impedir a formação de camadas contaminantes.
Eles alcançaram seu objetivo ao desenvolver um novo composto hidrofóbico (Li-Al-O) tanto na superfície quanto no interior do material. Esse composto impede que a contaminação se espalhe internamente, fazendo com que a camada reaja apenas com a umidade do ar.
A camada, como solução com propriedades de contato e molhabilidade aprimoradas, também resultou no desenvolvimento de baterias de estado sólido de lítio ultra‑finas, aproximadamente um décimo da espessura de um fio de cabelo humano.
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Por que a Pesquisa é Considerada uma Revolução?
Os resultados levaram a um cenário onde é possível preparar camadas ultra‑finas de metal de lítio, resultando em uma relação de capacidade reduzida entre ânodo e cátodo, cerca de 0,176 em baterias de estado sólido.
O experimento também permite uma redução significativa na quantidade de metal de lítio usado, diminuindo o peso e o volume total da bateria e melhorando consideravelmente a densidade de energia.
Se implementada, a pesquisa e suas descobertas permitiriam o armazenamento ao ar livre sem a necessidade de manuseio ou instalações especiais. Além de simplificar todo o processo, a inovação leva à produção de eletrólitos sólidos do tipo granada com maior usabilidade prática.
Ao falar sobre o futuro, o professor Byoungwoo Kang comentou:
“Continuaremos a trabalhar em baterias de estado sólido de metal de lítio ultra‑finas que podem alcançar alta segurança e alta densidade de energia.”
A pesquisa demonstra que focar nos essenciais pode nos ajudar a transformar as desvantagens de um produto em seus pontos fortes. Empresas e entidades comerciais estão investindo em pesquisa e recursos para tornar as baterias de estado sólido mais adequadas e benéficas para os automóveis do futuro. Nos segmentos a seguir, analisaremos essas empresas e suas inovações.
#1. Solid Power
Uma empresa que realiza um trabalho excepcional nesta área é a Solid Power. Suas baterias totalmente de estado sólido oferecem alta energia, segurança aprimorada, vida útil mais longa e benefícios de custo significativos.
Ela permite o uso de eletrodos de maior capacidade, como silício de alto teor e metal de lítio, ao mesmo tempo que aprimora os padrões de segurança ao remover os componentes líquidos e gelatinosos reativos e voláteis.
O resultado é evidente em baterias que podem suportar e operar eficientemente em temperaturas extremamente altas. A empresa afirma que seus produtos apresentam uma vantagem de custo de 15‑35% em relação aos packs de íon‑lítio.
O portfólio de baterias totalmente de estado sólido da Solid Power inclui três principais produtos: Células EV de Silício, Células de Metal de Lítio e Células de Reação de Conversão.
Célula EV de Silício
Ela possui um ânodo de silício de alto teor, o que resulta em altas taxas de carga e capacidades de temperatura mais baixas. Os eletrólitos sólidos proprietários à base de sulfeto da Solid Power alimentam a solução. Utiliza cátodos NMC padrão da indústria, comercialmente maduros.
Metal de Lítio
O produto recebe seu nome de seus ânodos de metal de lítio de alta energia. Possui capacidade incrementalmente melhor que a célula EV de Silício, que tem especificação de 390 Wh/kg, enquanto a célula de metal de lítio tem 440 Wh/kg.
Célula de Reação de Conversão
Entre todos os produtos do portfólio da Solid Power, ela possui a maior capacidade de desempenho de 560 Wh/kg. Sua singularidade está no cátodo do tipo conversão de custo ultra‑baixo e alta energia específica.
Com sede no Colorado, Estados Unidos, a Solid Power acredita firmemente na capacidade transformadora de suas baterias. Acredita que suas células de bateria totalmente de estado sólido atenderiam aos requisitos de volume e custo dos OEMs.
(SLDP )
Em seu mais recente deck de investimento disponível, a empresa (Nasdaq: SLDP) afirma ser a única desenvolvedora de baterias de estado sólido de puro play negociada publicamente que levantou US$700 milhões até o momento. A empresa prospera graças a mais de uma década de histórico de investimento em P&D, que resultou em quase 50 famílias de patentes globais e três parceiros de desenvolvimento líderes na indústria (BMW, Ford, SK On).
#2. QuantumScape
QuantumScape, outro grande player no campo, declara estar em uma missão de ‘transformar o armazenamento de energia com tecnologia de bateria de estado sólido de metal de lítio.’ Também afirma estar possibilitando ‘maior densidade de energia, carregamento mais rápido e segurança aprimorada’ – as três qualidades básicas essenciais que a pesquisa da POSTECH também foca.
Uma das características mais notáveis da QuantumScape é que ela desenvolveu o primeiro design de célula sem ânodo da indústria, resultando em alta densidade de energia com custos de material reduzidos e fabricação simplificada.
A plataforma tecnológica da Quantumscape utiliza uma variedade de químicas de cátodo para melhorar significativamente as densidades de energia das atuais células de bateria baseadas em Níquel Manganês Cobalto (NMC) e Fosfato de Ferro e Lítio (LFP). Seus esforços garantem otimização para diversas aplicações de armazenamento de energia e mantêm o campo pronto para aproveitar os avanços futuros na química dos cátodos.
Outro diferencial da empresa é seu material separador, que é feito de cerâmicas que oferecem alta condutividade, estabilidade ao metal de lítio, resistência à formação de dendritos e baixa impedância interfacial. Outra vantagem de usar cerâmica é que ela traz segurança aprimorada, pois é incombustível e, portanto, mais segura que os separadores de polímero convencionais que contêm hidrocarbonetos e são mais propensos a queimar.
A QuantumScape trabalha com uma meta de 800–1.000 Wh/L com suas células de lítio‑metal de estado sólido.
(SLDP )
Financeiramente, QuantumScape (NYSE: QS) é apoiada por mais de US$2 bilhões em investimentos de capital. Possui mais de 300 patentes e pedidos de patentes em seu portfólio.
O Futuro das Baterias de Estado Sólido
Baterias de estado sólido não são mais uma tecnologia do futuro, pois o futuro já chegou. Muitas pesquisas de ponta de institutos de primeira linha estão avançando sua causa todos os dias.
Em janeiro de 2024, por exemplo, pesquisadores da Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) apresentaram uma bateria de estado sólido com metal de lítio capaz de fornecer 6.000 ciclos de carga/descarga—significativamente mais do que qualquer outra célula de bateria tipo pouch no mercado.
A pesquisa é semelhante à que citamos no início do nosso artigo, pois os pesquisadores de Harvard também lidaram com o conhecido problema de dendritos que se formam na superfície do ânodo.
Além dos negócios especializados que discutimos, incluindo Solid Power e QuantumScape, há grandes players envolvidos neste campo também. Por exemplo, em outubro de 2023, Toyota e Idemitsu Kosan anunciaram uma parceria para desenvolver baterias de estado sólido para VEs.
A visão que impulsionou essa colaboração era ambiciosa, para dizer o mínimo. Ela declarou o seguinte no comunicado de imprensa:
“Por meio desta colaboração, as duas empresas, que lideram o mundo em áreas incluindo desenvolvimento de materiais relacionados a baterias totalmente de estado sólido, buscam garantir a comercialização bem‑sucedida de baterias totalmente de estado sólido em 2027‑28 — conforme anunciado no Toyota Technical Workshop em junho de 2023 — seguida de produção em massa em larga escala.”
Outra empresa que decidiu dar um grande salto nessa área foi a Honda. A empresa tem estado ativa nesse espaço há bastante tempo. Em janeiro de 2024, as autoridades da Honda disseram que estavam visando uma redução de 50% no peso—ou, de outra forma, um aumento de 50% na densidade de energia por peso.
O CEO da Honda, Toshihiro Mibe, explicou que se a Honda quiser criar um carro que custe US$30.000, poderia considerar baterias de estado sólido porque os custos da bateria diminuiriam, a autonomia aumentaria e o sistema de refrigeração poderia ser simplificado.
No entanto, os esforços globais para tornar as baterias de estado sólido mais robustas e seguras ainda enfrentam alguns desafios. O objetivo é otimizar suas propriedades básicas, incluindo segurança, estabilidade, desempenho energético e eficiência de armazenamento eletroquímico. Os obstáculos, por outro lado, incluem a viabilidade de desempenho a longo prazo, viabilidade econômica e a entrega precisa de padrões de potência específicos.
Se aprofundarmos, veremos que os desafios também incluem desempenho de ciclagem inadequado nas atuais baterias de estado sólido (SSBs) devido à degradação de materiais em ânodos, cátodos e eletrólitos. O Conselho dos Estados Unidos para Pesquisa Automotiva estabeleceu uma meta de vida útil de bateria de 10 anos com 1000 ciclos a 80% de profundidade de descarga.
O que impede as baterias de estado sólido de frequentemente alcançar essa meta é a formação de camadas de carga espacial, que levam a cinética interfacial lenta e alta impedância, e o crescimento de dendritos, que causam curtos‑circuitos e riscos de segurança.
No entanto, existem soluções para esses desafios. Os fabricantes precisarão focar na produção de SSBs de alta densidade de energia e aprimoramentos. Afinal, esses produtos têm alta estabilidade térmica, eliminando preocupações de segurança mesmo em temperaturas superiores a 200 °C, enquanto os eletrólitos líquidos podem representar ameaças acima de 70 °C. Os eletrólitos de estado sólido podem oferecer operação à prova de vazamentos e proporcionar maior estabilidade eletroquímica que seus equivalentes líquidos.
Os eletrólitos de estado sólido também são mais desejáveis, pois podem reduzir o desbotamento de capacidade e curtos‑circuitos internos. Sua alta condutividade iônica e baixa condutividade eletrônica também garantem que os veículos sejam carregados mais rapidamente.
De acordo com as estimativas da QuantumScape, um veículo que obtém cerca de 350 milhas de autonomia com uma única carga usando uma das principais células de íon‑lítio tradicionais de hoje com densidade de energia de ~700 Wh/L poderia alcançar entre 400 e 500 milhas de autonomia usando as células de estado sólido da QuantumScape.
No geral, as baterias de estado sólido são imprescindíveis para a mobilidade futura. Elas devem ser eficientes, seguras, econômicas e duradouras.
