Novas tecnologias de baterias a chegar ao mercado

Alargar as capacidades das baterias de iões de lítio

Atualmente, a maioria dos veículos eléctricos utiliza baterias de iões de lítio e é provável que esta situação se mantenha durante mais alguns anos. Isto apesar de não oferecerem um desempenho de ponta e exigirem a utilização de metais de terras raras, como o lítio e o cobalto. Além disso, são propensas a alguma degradação ao longo do tempo.

Mas os cientistas da Universidade do Colorado em Boulder identificaram uma nova abordagem para aumentar a longevidade e o desempenho das baterias de iões de lítio, prometendo avanços significativos para os veículos eléctricos e soluções de armazenamento de energia.

Utilizando uma potente máquina de raios X no Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA, no Illinois, a equipa de investigação descobriu os mecanismos moleculares que contribuem para a degradação das pilhas ao longo do tempo. 

A investigação, liderada pelo Professor Michael Toney do Departamento de Engenharia Química e Biológica da Universidade da Califórnia em Boulder, revelou que as moléculas de hidrogénio do eletrólito da bateria inibem o movimento dos iões de lítio para o cátodo, essencial para manter a corrente eléctrica. Esta perturbação resulta numa diminuição da capacidade da bateria - um fenómeno bem conhecido, mas que até agora não era totalmente compreendido.

Através de uma análise detalhada, a equipa descobriu que as moléculas de hidrogénio ocupam locais no cátodo aos quais os iões de lítio normalmente se ligam, reduzindo assim o número de iões de lítio capazes de contribuir para a corrente eléctrica. Ao abordar esta descoberta, os investigadores sugerem que a aplicação de um revestimento especial no cátodo poderia melhorar significativamente o desempenho da bateria, aumentando potencialmente a autonomia dos automóveis eléctricos até 60%.

Este avanço é particularmente crucial para a indústria dos veículos eléctricos, que enfrenta desafios como as gamas de condução limitadas, os custos de produção mais elevados e a vida útil mais curta da atual tecnologia de baterias. Atualmente, um veículo totalmente elétrico típico pode percorrer cerca de 250 milhas com um único carregamento, cerca de 60% da autonomia dos veículos a gasolina.

Dado que o sector dos transportes é responsável por 28% das emissões de gases com efeito de estufa, o aumento da autonomia dos VE e a redução dos seus custos são necessidades urgentes. Muitos fabricantes de automóveis comprometeram-se a abandonar gradualmente os automóveis a gasolina e a aumentar a produção de veículos eléctricos em resposta às preocupações com as alterações climáticas.

Um foco adicional do estudo da CU Boulder é a redução do cobalto nas baterias de iões de lítio. O cobalto, um mineral escasso e caro, é fundamental para os actuais modelos de baterias, mas apresenta questões éticas e ambientais significativas. A maior parte do cobalto mundial provém da República Democrática do Congo, onde a extração mineira tem sido associada a graves violações dos direitos humanos, incluindo o trabalho infantil.

Os cientistas têm estado a explorar substitutos como o níquel e o magnésio para o cobalto. No entanto, estas alternativas têm mostrado taxas de auto-descarga ainda mais elevadas, complicando ainda mais os esforços para encontrar uma solução sustentável.

"Estamos a contribuir para o avanço das baterias de iões de lítio, descobrindo os processos a nível molecular envolvidos na sua degradação", afirmou o Professor Toney. "Ter uma bateria melhor é muito importante para mudar a nossa infraestrutura energética dos combustíveis fósseis para fontes de energia mais renováveis."

Os investigadores da Universidade de Stanford também têm estado ocupados a estudar a forma de melhorar as baterias de iões de lítio. Uma equipa do Centro de Baterias SLAC-Stanford realizou um estudo em colaboração com o Instituto de Investigação da Toyota, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e a Universidade de Washington para adaptar a forma como as baterias de iões de lítio são fabricadas, de modo a prolongar a sua vida útil.

Tradicionalmente, o processo de fabrico das baterias de iões de lítio inclui uma carga inicial de 10 horas a uma corrente baixa. Este passo é considerado essencial para mitigar a perda precoce de lítio, que se acredita prolongar a vida útil global da bateria. No entanto, esta prática é notoriamente demorada e dispendiosa, levando os investigadores a questionar a sua eficácia e a explorar alternativas.

A equipa liderada por Stanford realizou uma experiência para carregar as baterias a uma corrente elevada durante apenas 20 minutos. Este método resultou numa perda inicial significativa de lítio. Surpreendentemente, porém, produziu uma notável extensão da vida útil média de 50% para as baterias EV.

Baterias de fibra de carbono?

Os investigadores da Universidade de Chalmers, na Suécia, fizeram avanços significativos nas baterias estruturais de fibra de carbono, que combinam o armazenamento de energia com propriedades de suporte de carga. Esta inovação poderá revolucionar os veículos eléctricos, integrando as baterias nas suas estruturas, reduzindo o peso e melhorando a eficiência energética. 

A última versão da bateria tem uma densidade de energia de 30 Wh/kg e uma rigidez comparável à do alumínio, embora ainda inferior à das baterias de iões de lítio tradicionais. No entanto, a redução de peso compensa este facto, aumentando potencialmente a autonomia dos veículos eléctricos até 70%.

Ao incorporar o armazenamento de energia na estrutura de um veículo, minimiza-se a necessidade de componentes pesados, como colectores de corrente, e de metais de conflito, como o cobalto e o manganês. Este material de dupla finalidade aumenta significativamente a eficiência, a segurança e a sustentabilidade. A tecnologia é a mais avançada neste domínio até à data, com base na investigação iniciada em 2018, quando se demonstrou pela primeira vez que a fibra de carbono funcionava como eléctrodos em baterias de iões de lítio.

As baterias estruturais oferecem um futuro empolgante para carros eléctricos, drones e outros dispositivos, permitindo designs mais leves e eficientes que apoiam a transição para tecnologias energéticas mais limpas. À medida que o desenvolvimento continua, estas baterias podem desempenhar um papel crítico no avanço do transporte sustentável.

Baterias de estado sólido

As baterias de estado sólido são uma tecnologia de próxima geração pronta a revolucionar os veículos eléctricos. Ao contrário das baterias de iões de lítio tradicionais, que utilizam electrólitos líquidos para transferir a carga entre o ânodo e o cátodo, as baterias de estado sólido utilizam um eletrólito sólido. Esta conceção oferece várias vantagens, incluindo maior densidade energética, maior segurança e tempos de carregamento mais rápidos.

Uma das principais vantagens das baterias de estado sólido é o seu potencial para uma maior autonomia. Com uma densidade energética mais elevada, estas baterias podem armazenar mais energia no mesmo espaço, permitindo que os veículos eléctricos viajem mais longe com uma única carga. Enquanto as baterias de iões de lítio tradicionais proporcionam uma autonomia entre 320 e 480 quilómetros, as baterias de estado sólido podem aumentar a autonomia para 800 quilómetros ou mais, dependendo dos avanços da tecnologia.

Outra vantagem é a segurança. As baterias de iões de lítio apresentam riscos de sobreaquecimento e incêndio devido aos seus electrólitos líquidos, que são inflamáveis. As baterias de estado sólido, pelo contrário, são menos propensas a estes riscos porque o eletrólito sólido não é inflamável, melhorando a segurança geral e a longevidade.

Várias empresas estão a liderar o desenvolvimento de baterias de estado sólido, algumas com o objetivo de as comercializar até ao final da década. A Toyota fez investimentos significativos nesta tecnologia e pretende lançar veículos eléctricos alimentados por baterias de estado sólido até 2027. A QuantumScape, uma empresa americana em fase de arranque, é outro ator importante, tendo feito progressos na criação de baterias de estado sólido viáveis e com durabilidade a longo prazo. A Volkswagen e a BMW também investiram fortemente nesta tecnologia, estabelecendo parcerias com empresas em fase de arranque e instituições académicas para acelerar a investigação e o desenvolvimento.

Os líderes do mercado de fabrico de baterias, CATL e BYD, também estão a trabalhar no desenvolvimento de baterias de estado sólido. No entanto, ambas as empresas ainda estão mais concentradas nas tecnologias de iões de lítio e de fosfato de ferro-lítio a curto prazo, enquanto a tecnologia de estado sólido amadurece.

Tempo de carregamento

Outra área de competição das baterias é o carregamento super-rápido.

A StoreDot é pioneira no desenvolvimento da tecnologia de baterias de silício de carregamento extremamente rápido (XFC) para veículos eléctricos. Recentemente, conseguiu criar uma célula de bateria prismática capaz de carregar de 10% a 80% em apenas 10 minutos. 

A proeza da engenharia da StoreDot permitiu que estas células XFC fornecessem 100 milhas de carga em apenas cinco minutos, com objectivos futuros definidos para reduzir este tempo para quatro minutos até 2026. De forma única, estas baterias não apresentam degradação acelerada, um problema comum normalmente associado ao carregamento rápido.

As células XFC da StoreDot prometem uma combinação de elevada densidade energética, essencial para baterias de EV de elevado desempenho, e fiabilidade robusta sem um custo acrescido. Este avanço tecnológico está destinado a tornar os veículos eléctricos mais acessíveis para os fabricantes e, por extensão, para os consumidores.

Além disso, a StoreDot estabeleceu uma parceria com 15 fabricantes de equipamento original (OEM) para testar e integrar extensivamente as suas células de bateria XFC prismáticas na arquitetura existente de veículos eléctricos, transformando potencialmente o panorama do mercado. 

A tecnologia de baterias recentemente revelada desempenhará um papel crucial na redução da "ansiedade de carregamento" entre os potenciais clientes de VE. Inquéritos recentes realizados no Reino Unido e na Alemanha revelam que mais de metade dos inquiridos hesitam em fazer a transição para veículos eléctricos, principalmente devido a preocupações com os tempos de carregamento. Isto apesar dos investimentos significativos dos países na expansão das infra-estruturas de carregamento para satisfazer a procura crescente. 

Estes são apenas alguns exemplos da inovação que está a ocorrer no sector das baterias. Dado que os fabricantes precisam de acelerar o lançamento de veículos eléctricos durante o resto desta década, tudo o que possa convencer os condutores a fazerem a mudança será certamente uma prioridade muito elevada. A autonomia e a velocidade de carregamento são totalmente cruciais para alcançar este objetivo.