Qual é o futuro do armazenamento de energia?

Dos smartphones aos veículos elétricos, as baterias alimentam sozinhas algumas das tecnologias mais impactantes das nossas vidas. E embora as baterias em si não sejam uma tecnologia nova, o tipo de íon de lítio (Li-on) que alimenta a maioria dos nossos dispositivos só começou a ganhar terreno há algumas décadas. Mas, tal como o mundo avançou para fontes de energia renováveis ​​e sustentáveis, como a eólica e a solar, também surgiram nos últimos anos avanços semelhantes em alternativas de baterias de iões de lítio.

Portanto, neste artigo, vamos dar uma olhada rápida nas alternativas de baterias de íon de lítio que estão por vir. Mas primeiro, vamos recapitular como funcionam as baterias modernas e os muitos problemas que assolam a tecnologia.

Antes de explorarmos como funcionam as tecnologias concorrentes, vale a pena revisitar os princípios básicos de uma bateria recarregável de íons de lítio e por que elas não são exatamente ideais no mundo de hoje.

Cada bateria é composta por um cátodo (eletrodo positivo), um ânodo (eletrodo negativo) e um meio eletrolítico. Quando você descarrega uma bateria de lítio carregada, os íons de lítio com carga positiva se movem do ânodo para o cátodo. Isso também desencadeia um fluxo de elétrons, que pode ser usado para alimentar dispositivos eletrônicos. E quando você carrega uma bateria Li-on, o mesmo processo ocorre ao contrário.

Resumindo, você obtém um ciclo que permite carregar e descarregar uma bateria Li-on centenas de vezes. Mas isso não significa que a tecnologia seja perfeita.

Por que o Li-on é tão problemático?

As baterias Li-on têm uma série de desvantagens, que afetaram tudo, desde a produção do iPhone até a viabilidade dos carros elétricos. Alguns desses problemas incluem:

• Segurança: O lítio é um metal altamente reativo e inflamável. Uma bateria Li-on precisa ser mantida a uma determinada temperatura e em condições que não permitam sobrecargas ou curtos-circuitos. Caso contrário, essas baterias têm tendência a pegar fogo ou até explodir devido a uma reação em cadeia conhecida como fuga térmica.
• Escassez: O lítio é um componente chave das baterias Li-on, mas só temos uma quantidade limitada dele no nosso planeta. Além disso, a maioria das reservas de lítio está localizada longe dos centros de produção.
• Sustentabilidade: As baterias de lítio exigem práticas de mineração ambientalmente destrutivas para metais como lítio, cobalto e níquel. Além disso, uma grande quantidade destes recursos metálicos está localizada em países em desenvolvimento como a República Democrática do Congo. As práticas éticas de mineração ainda não foram estabelecidas nestas áreas, o que significa que a produção de Li-on contribui significativamente para as emissões de gases com efeito de estufa.
• Durabilidade: você já deve saber que as baterias dos smartphones não duram para sempre. A maioria dos fabricantes garante o desempenho da bateria apenas por cerca de 800 a 1.000 ciclos de carga. Isso é aproximadamente uma cobrança por dia durante três anos. Isso ocorre porque as baterias de lítio tendem a se degradar com o tempo. Vários estresses químicos e físicos reduzem a quantidade de íons de lítio disponíveis nessas baterias e reduzem sua capacidade de reter carga.

Dados todos os problemas acima, não deve ser surpresa que praticamente todas as grandes empresas de tecnologia estejam tentando encontrar tecnologias alternativas para baterias. Embora muitos destes esforços ainda estejam na sua infância, alguns poderão alimentar veículos eléctricos de próxima geração e outros produtos electrónicos de consumo na próxima década. Portanto, sem perder tempo, aqui está uma lista rápida das principais alternativas de íons de lítio e como elas melhoram a tecnologia de bateria existente.

Baterias de íon de sódio

Vamos começar com uma tecnologia de bateria que não se afaste muito da linha de base Li-on com a qual estamos familiarizados.

As baterias de íon de sódio simplesmente substituem os íons de lítio como portadores de carga por sódio. Esta única mudança tem um grande impacto na produção de baterias, uma vez que o sódio é muito mais abundante que o lítio. Na verdade, você pode usar o sal dos oceanos para extrair sódio em qualquer lugar do mundo. Isso também poderia reduzir o custo de produção de baterias, já que você não precisa mais se preocupar com armazenamento e transporte de um material potencialmente perigoso como o lítio.

No entanto, as baterias de íon de sódio também não são perfeitas. Seus íons são fisicamente maiores que o lítio, o que se traduz em menor densidade de energia. No mundo real, isso pode resultar em menor autonomia para veículos elétricos e tempos de execução mais curtos para smartphones. Ainda assim, as outras vantagens das baterias de íons de sódio merecem mais pesquisas sobre a tecnologia.

Uma bateria de íons de lítio usa cobalto no ânodo, que se mostrou difícil de obter. As baterias de lítio-enxofre (Li-S) poderiam resolver esse problema usando enxofre como material catódico. Além de substituir o cobalto, as baterias Li-S oferecem algumas vantagens, nomeadamente maior densidade de energia e menores custos de produção.

O maior problema com as baterias de lítio-enxofre no momento está relacionado à sua rápida taxa de degradação. Então, embora tenhamos visto um Avião movido a energia solar usa bateria Li-S desde 2008, ainda estamos aguardando pesquisas contínuas para tornar a tecnologia viável para os eletrônicos do dia a dia.

Baterias de estado sólido

As baterias de íon de lítio usam um meio eletrolítico líquido que permite que os íons se movam entre os eletrodos. O eletrólito é normalmente um composto orgânico que pode pegar fogo quando a bateria superaquece ou sobrecarrega. Assim, para reduzir este risco, os investigadores criaram uma alternativa na forma de baterias de estado sólido. Eles usam um eletrólito inorgânico sólido, que pode suportar ambientes agressivos e grandes oscilações de temperatura.

Além do menor risco de ignição, as baterias de estado sólido também podem reter mais energia em comparação com as baterias de lítio. A maior condutividade de um eletrólito sólido também deve levar a tempos de carregamento mais rápidos, o que significa que devemos ver melhor capacidade e velocidades de carregamento dos dispositivos que migrarem para esta tecnologia.

Até agora, vimos fabricantes de veículos elétricos demonstrarem grande interesse em baterias de estado sólido. A Honda, por exemplo, disse que iria demonstrar a tecnologia já em 2024. A Toyota, por sua vez, adotou uma abordagem mais conservadora e planeja lançar baterias comerciais de estado sólido após 2027.

Embora não sejam exatamente semelhantes a uma bateria recarregável de lítio, as células de combustível de hidrogênio surgiram como uma alternativa popular para fornecer energia limpa. Envolve a combinação do gás hidrogênio armazenado com o oxigênio do ar para produzir eletricidade e vapor de água. Em outras palavras, o subproduto da reação é totalmente ecológico.

No entanto, ainda existem algumas desvantagens nas células a combustível de hidrogênio. Na indústria automotiva, por exemplo, é necessário construir uma rede de postos de abastecimento de hidrogênio. Em primeiro lugar, também é bastante caro construir células de combustível de hidrogénio, por isso, embora tenhamos carros como o Toyota Mirai, apenas algumas regiões do mundo têm a infra-estrutura para abastecer o seu tanque de hidrogénio.

Baterias aquosas de magnésio

Em mais uma tentativa de tornar as baterias recarregáveis ​​menos perigosas e prejudiciais, os investigadores propuseram a utilização de iões de magnésio como portadores de carga. Isto tem algumas vantagens, começando pela disponibilidade abundante de magnésio e maior carga iônica em comparação ao lítio. O último significa que você obtém maior densidade de energia com a célula do mesmo tamanho. Finalmente, estas baterias também utilizam um eletrólito aquoso (água) em vez de um líquido orgânico inflamável.

Embora promissores, ainda estamos nos estágios iniciais da pesquisa. A tecnologia enfrenta diversas limitações que a impedem de servir como alternativa à bateria de íons de lítio tão cedo. Por exemplo, os materiais catódicos existentes que funcionam com o lítio não podem ser usados ​​para o magnésio. E o uso de um eletrólito aquoso limita a tensão máxima da bateria porque a água se decompõe em tensões mais altas.

O grafeno é uma camada única de átomos de carbono, dispostos em uma rede hexagonal ou estrutura semelhante a um favo de mel. Uma folha de grafeno é tão fina que é praticamente considerada uma estrutura bidimensional. Esta propriedade única é adequada para a produção de baterias, pois também possui excelente condutividade elétrica, baixo peso e uma estrutura física forte. Em 2021, a montadora chinesa GAC anunciado um avanço na tecnologia de baterias de grafeno, atingindo 80% de carga em apenas oito minutos.

Temos visto muita agitação em torno do grafeno como alternativa à bateria de íons de lítio, mas os produtos comerciais permanecem inviáveis ​​por enquanto. Seu custo é talvez o maior motivo pelo qual a indústria ainda não o adotou. Custando mais de US$ 60.000 por tonelada métrica, o grafeno é atualmente usado apenas em quantidades muito pequenas. A Ford, por exemplo, utiliza vestígios do material em motores e sistemas de combustível para reduzir o ruído e resistir ao calor.