Nota do editor: A tecnologia elétrica é o futuro da Terra verde, e a tecnologia de baterias é a base da tecnologia elétrica e a chave para restringir o desenvolvimento em larga escala dessa tecnologia. A tecnologia de baterias mais utilizada atualmente são as baterias de íon-lítio, que possuem boa densidade de energia e alta eficiência. No entanto, o lítio é um elemento raro, de alto custo e com recursos limitados. Ao mesmo tempo, com o crescimento do uso de fontes de energia renováveis, a densidade de energia das baterias de íon-lítio já não é suficiente. Como responder a isso? Mayank Jain fez um balanço de algumas tecnologias de baterias que podem ser usadas no futuro. O artigo original foi publicado no Medium com o título: O Futuro da Tecnologia de Baterias
A Terra está repleta de energia, e estamos fazendo tudo o que podemos para capturá-la e utilizá-la da melhor forma. Embora tenhamos avançado na transição para energias renováveis, ainda não progredimos muito no armazenamento de energia.
Atualmente, o padrão mais elevado em tecnologia de baterias são as baterias de íon-lítio. Essas baterias parecem ter a melhor densidade de energia, alta eficiência (cerca de 99%) e longa vida útil.
Então, qual é o problema? À medida que a energia renovável que capturamos continua a crescer, a densidade energética das baterias de íon-lítio já não é suficiente.
Como podemos continuar produzindo baterias em lotes, isso não parece ser um grande problema, mas a questão é que o lítio é um metal relativamente raro, portanto seu custo não é baixo. Embora os custos de produção de baterias estejam caindo, a necessidade de armazenamento de energia também está aumentando rapidamente.
Chegamos a um ponto em que, uma vez que a bateria de íon-lítio seja fabricada, ela terá um enorme impacto na indústria de energia.
A maior densidade energética dos combustíveis fósseis é um fato, e esse é um fator de grande influência que dificulta a transição para uma dependência total de energia renovável. Precisamos de baterias que emitam mais energia do que o nosso peso.
Como funcionam as baterias de íon-lítio
O mecanismo de funcionamento das baterias de lítio é semelhante ao das pilhas comuns AA ou AAA. Elas possuem terminais de ânodo e cátodo, com um eletrólito entre eles. Diferentemente das pilhas comuns, a reação de descarga em uma bateria de íon-lítio é reversível, permitindo que a bateria seja recarregada repetidamente.
O cátodo (terminal positivo) é feito de fosfato de ferro-lítio, o ânodo (terminal negativo) é feito de grafite e a grafite é feita de carbono. A eletricidade nada mais é do que o fluxo de elétrons. Essas baterias geram eletricidade movimentando íons de lítio entre o ânodo e o cátodo.
Quando carregados, os íons movem-se para o ânodo e, quando descarregados, movem-se para o cátodo.
Esse movimento de íons causa o movimento de elétrons no circuito, portanto o movimento de íons de lítio e o movimento de elétrons estão relacionados.
Bateria de ânodo de silício
Muitas grandes montadoras, como a BMW, têm investido no desenvolvimento de baterias com ânodo de silício. Assim como as baterias de íon-lítio comuns, essas baterias utilizam ânodos de lítio, mas em vez de ânodos à base de carbono, utilizam silício.
Como ânodo, o silício é melhor que o grafite porque requer 4 átomos de carbono para reter o lítio, enquanto 1 átomo de silício pode reter 4 íons de lítio. Essa é uma grande melhoria, tornando o silício 3 vezes mais resistente que o grafite.
No entanto, o uso de lítio ainda é uma faca de dois gumes. Esse material ainda é caro, mas também é mais fácil transferir as instalações de produção para células de silício. Se as baterias forem completamente diferentes, a fábrica terá que ser totalmente redesenhada, o que reduzirá um pouco a atratividade da transição.
Os ânodos de silício são fabricados através do tratamento da areia para produzir silício puro, mas o maior problema que os pesquisadores enfrentam atualmente é que os ânodos de silício incham durante o uso. Isso pode causar a degradação excessiva da bateria. Além disso, a produção em massa de ânodos também é complexa.
Bateria de grafeno
O grafeno é um tipo de folha de carbono que utiliza o mesmo material que um lápis, mas a fixação do grafite às folhas demanda muito tempo. O grafeno é elogiado por seu excelente desempenho em diversas aplicações, e as baterias são uma delas.
Algumas empresas estão trabalhando em baterias de grafeno que podem ser totalmente carregadas em minutos e descarregadas 33 vezes mais rápido do que as baterias de íon-lítio. Isso é de grande valor para veículos elétricos.
bateria de espuma
Atualmente, as baterias tradicionais são bidimensionais. Elas são empilhadas como uma bateria de lítio ou enroladas como uma típica bateria AA ou de íon-lítio.
A bateria de espuma é um novo conceito que envolve o movimento de carga elétrica no espaço tridimensional.
Essa estrutura tridimensional pode acelerar o tempo de carregamento e aumentar a densidade de energia, qualidades extremamente importantes para uma bateria. Comparadas com a maioria das outras baterias, as baterias de espuma não possuem eletrólitos líquidos nocivos.
As baterias de espuma utilizam eletrólitos sólidos em vez de eletrólitos líquidos. Esse eletrólito não só conduz íons de lítio, como também isola outros dispositivos eletrônicos.
O ânodo, que armazena a carga negativa da bateria, é feito de cobre espumado e revestido com o material ativo necessário.
Em seguida, aplica-se um eletrólito sólido ao redor do ânodo.
Por fim, utiliza-se uma chamada “pasta positiva” para preencher os espaços vazios dentro da bateria.
Bateria de óxido de alumínio
Essas baterias possuem uma das maiores densidades de energia entre as baterias convencionais. Sua energia é mais potente e seu tamanho é maior do que o das baterias de íon-lítio atuais. Alguns afirmam que essas baterias podem fornecer 2.000 quilômetros de autonomia para veículos elétricos. Qual é o fundamento desse conceito? Para efeito de comparação, a autonomia máxima de um Tesla é de cerca de 600 quilômetros.
O problema dessas baterias é que elas não podem ser recarregadas. Elas produzem hidróxido de alumínio e liberam energia através da reação entre alumínio e oxigênio em um eletrólito à base de água. O uso dessas baterias consome alumínio, que é utilizado como ânodo.
Bateria de sódio
Atualmente, cientistas japoneses estão trabalhando no desenvolvimento de baterias que utilizam sódio em vez de lítio.
Isso seria disruptivo, já que as baterias de sódio são teoricamente 7 vezes mais eficientes que as de lítio. Outra grande vantagem é que o sódio é o sexto elemento mais abundante nas reservas da Terra, em comparação com o lítio, que é um elemento raro.
Data da publicação: 02/12/2019