O futuro da célula: baterias potentes são o elemento central dos veículos elétricos

Alto teor de energia, alto desempenho, longa vida útil, segurança máxima - tudo com o menor custo possível: as baterias em veículos elétricos precisam atender a muitos requisitos, nos quais a tecnologia dominante de íons de lítio já está conseguindo muito bem. Outras melhorias podem, no entanto, ser feitas em quase todos os seus parâmetros, e os pesquisadores e a indústria estão trabalhando intensamente para fazer exatamente isso. Ao mesmo tempo, potenciais sucessores já estão se alinhando. Não é por acaso que as baterias de íon-lítio dominam o mercado atual: os átomos de lítio estão particularmente interessados em emitir um de seus três elétrons, e o lítio também é o metal mais leve. Isso torna o elemento uma matéria-prima popular para baterias.

“O lítio puro é o material de ânodo ativo ideal em termos de densidade de energia”, afirma a Dra. Stefanie Edelberg, engenheira especialista em célula de bateria da Porsche Engineering. “Por razões de segurança, no entanto, os grafites são atualmente usados principalmente como materiais de ânodo ativos que podem absorver íons de lítio.” Além disso, a capacidade de carga das baterias é muito alta e seu preço é relativamente baixo. Além disso, sua longa vida útil: “1.500 a 3.000 ciclos de carga completa até atingir uma capacidade residual de 80 por cento não representa um problema”, diz o Dr. Falko Schappacher, Diretor Comercial e Técnico do MEET Battery Research Center na Universidade de Münster (WWU). A vida útil da bateria do carro de até um milhão de quilômetros agora está sendo prevista.

Otimização de ânodo

Como a tecnologia de íons de lítio é um sistema multicomponente, há muitas maneiras de otimizá-la ainda mais. Veja, por exemplo, o ânodo: o grafite é usado atualmente como um material de ânodo ativo. O silício é uma alternativa interessante para isso, pois oferece uma capacidade de armazenamento dez vezes maior. “Ânodos de silício aumentariam significativamente a capacidade total da bateria de íons de lítio”, como ressalta Schappacher. Edelberg também aponta as vantagens: “O silício é de particular interesse porque apresenta a segunda maior capacidade de armazenamento em termos de peso depois do lítio, o que permite células com densidades de energia muito altas. Além do mais, é o segundo elemento mais comum na crosta terrestre.” Células com alta capacidade de carregamento rápido e que podem ser carregadas de cinco a 80 por cento em menos de 15 minutos são realmente viáveis.

“No entanto, quando o lítio é absorvido, as partículas de silício se expandem em 300%, resultando em estresse mecânico no material e no eletrodo”, diz Schappacher. Se isso danificasse as superfícies dos eletrodos, a vida útil da bateria também seria prejudicada. “A maior alavancagem em termos de densidade de energia é obtida usando material ativo de silício puro, mas também é preciso lidar com as piores desvantagens em termos de vida útil”, diz Edelberg. No entanto, um trabalho intensivo está sendo realizado em ânodos com uma proporção muito alta de silício de até 80 por cento. Esse é o caminho que a Cellforce (veja box), por exemplo, está trilhando em conjunto com a Porsche.

Mais níquel no cátodo

Também está em andamento um trabalho intensivo para otimizar os materiais ativos para o cátodo. O importante neste caso é a combinação de uma grande capacidade de carga e um alto potencial eletroquímico do material. Atualmente, o óxido de lítio-níquel-cobalto-manganês (NCM) na proporção de 6:2:2 - em termos das partes níquel, cobalto e manganês - é o mais usado em eletromobilidade na Europa.

No futuro, a participação do níquel deve aumentar, enquanto o cobalto e o manganês serão menos utilizados. A crescente participação do níquel promete maiores capacidades de carregamento. O potencial de otimização adicional é oferecido pelo separador, que consiste em filmes muito finos (10 a 20 micrômetros), compostos principalmente de polietileno ou polipropileno. Este separador custa espaço e peso.

“O separador pode contribuir indiretamente para o conteúdo de energia de uma célula de bateria”, diz Edelberg. “Quanto mais fino, mais camadas ou bobinas de eletrodos cabem em uma célula. Isso aumenta a capacidade da célula e o conteúdo de energia de uma célula de bateria.”

Baterias compactas de estado sólido

Baterias sólidas, uma área em que pesquisas intensivas estão sendo realizadas, podem precisar de um espaço de instalação significativamente menor do que as baterias convencionais de íon-lítio. Eles não usam uma solução eletrolítica, mas um eletrólito de suporte sólido. “O plano para células sólidas é que o separador clássico seja totalmente substituído por uma fina camada de eletrólitos sólidos”, explica Edelberg. “O eletrólito sólido é então eletrólito e separador em um.”

Ao eliminar soluções eletrolíticas e usar ânodos metálicos de lítio ao mesmo tempo, os pesquisadores esperam alcançar um aumento na densidade de energia de até 50% e, possivelmente, tempos de carregamento significativamente mais rápidos, bem como uma baixa inflamabilidade do eletrólito sólido.

Ao eliminar soluções eletrolíticas e usar ânodos metálicos de lítio ao mesmo tempo, os pesquisadores esperam alcançar um aumento na densidade de energia de até 50% e, possivelmente, tempos de carregamento significativamente mais rápidos, bem como uma baixa inflamabilidade do eletrólito sólido. Em comparação com outros desenvolvimentos, como baterias de lítio-ar, Schappacher vê as baterias de estado sólido (SSB) à base de lítio como “uma alternativa séria às baterias de íon-lítio”. As baterias de íons de sódio (ver caixa) são de particular interesse para aplicações de armazenamento local devido à sua menor densidade de energia. A tecnologia de lítio-ar ainda apresenta muitos desafios e, do jeito que as coisas estão, promete muito poucas vantagens. “Atualmente e também no futuro previsível, as células de ar-lítio definitivamente ainda são um tópico para pesquisa básica”, diz Edelberg. A química celular, no entanto, não é a única maneira de otimizar as baterias. Sensores celulares e embalagens oferecem mais potencial. Os níveis de carga da bateria, por exemplo, podem ser detectados com mais precisão e rapidez por sensores nas células. Isso permite que o tempo de carregamento seja reduzido - por exemplo, permitindo o carregamento rápido em faixas de tensão especiais. O resfriamento da célula também pode ser controlado com mais precisão, o que é uma vantagem para a longevidade da bateria.

No futuro, a embalagem e o design das células também desempenharão um papel importante para tornar as baterias mais potentes. A tecnologia Cell-to-pack, por exemplo, integra as células diretamente na bateria. “Isso elimina as peças de pequena escala nas baterias atuais”, diz o Prof. Maximilian Fichtner, diretor do Helmholtz Institute Ulm (HIU) e chefe da unidade de pesquisa de sistemas de armazenamento de energia no Karlsruhe Institute of Technology (KIT).

“Em vez de conectar células do tamanho de barras de chocolate individualmente, as células de até 1,20 metros de comprimento agora são compactadas quando instaladas transversalmente em uma estrutura, assim como a estrutura de ripas de uma cama.” Isso resulta em mais capacidade de armazenamento e melhor resfriamento em menos espaço.

Potencial adicional

“A médio prazo, podemos esperar que a combinação da nova química do ânodo e o empacotamento denso das células permitam um alcance do veículo de 1.300 km”, diz Fichtner. Schappacher também está otimista – mesmo que seja difícil prever o impacto de avanços tecnológicos como a bateria de estado sólido. “Acho que veremos aumentos de 30 a 50 por cento na autonomia dos veículos premium no futuro”, espera o especialista, enfatizando: “Mais importante do que simplesmente aumentar a autonomia é a capacidade de carregamento rápido”. Schappacher espera que, um dia, o carregamento rápido para 80% da autonomia do veículo não demore muito mais do que uma parada para abastecer.

“No Taycan de hoje, foi possível atingir um tempo de carregamento de 22,5 minutos ao carregar de 5% a 80%”, explica Markus Gräf, diretor de operações do Cellforce Group (veja também o quadro). “Com o silício como material anódico, valores inferiores a 15 minutos podem ser alcançados a médio prazo e significativamente menores a longo prazo.” Dito isto, novas estações de carregamento mais potentes também teriam que ser desenvolvidas para esse fim. Além disso, as tomadas de carregamento precisarão de refrigeração ativa no futuro, para que altas capacidades de carregamento de mais de 500 kW possam ser conduzidas de forma confiável. Baterias de íon de lítio otimizadas e novas tecnologias, como baterias de estado sólido: graças a intensa pesquisa e desenvolvimento, os sistemas de armazenamento de energia elétrica devem se tornar muito mais eficientes nos próximos anos, tornando a mobilidade elétrica ainda mais atraente.