Prepare-se para Novos Avanços na Tecnologia de Baterias em 2021

Desde que Volta descobriu em 1800 que certos líquidos gerariam um fluxo de energia elétrica como parte de uma reação química, a era das baterias nasceu. Pouco sabia Volta que ele teria uma unidade nomeada em sua homenagem (provavelmente uma das maiores honras que um cientista pode receber), e sua descoberta seria a base de toda a tecnologia móvel usada hoje. Avançando para hoje, e a estrutura fundamental das baterias ainda corresponde àquela usada na célula de Daniell, introduzida pela primeira vez em 1836.

Hoje, a conversa sobre baterias tem se concentrado em seu uso como facilitadores para outras tecnologias, como a consolidação de fontes de energia renováveis e veículos elétricos. Apesar dos avanços históricos e recentes na tecnologia de baterias, muitos desafios ainda permanecem para tornar as baterias mais amigáveis ao meio ambiente, mais baratas e mais seguras em altas descargas. No entanto, muitas empresas estão trabalhando no desenvolvimento de novas plataformas de materiais para baterias sem fazer grandes mudanças na química das baterias.

Desafios das Baterias Atuais

Os desafios presentes nas baterias de hoje e nos sistemas de armazenamento de energia se concentram em segurança e amigabilidade ambiental. A química de bateria de melhor classe atual para entrega de energia é a Li-ion, que também apresenta os maiores riscos de segurança, ainda assim, é comparável à química de níquel metal em termos de capacidade. Uma vez que a química de lítio já oferece algumas vantagens em termos de entrega de energia, ela tem sido o foco de desenvolvimento e melhorias adicionais. Apesar de suas vantagens, as baterias Li-ion têm suas desvantagens:

• Vida útil: Aqui, estamos nos referindo à vida útil total da bateria, em vez da capacidade de carga. A vida útil das baterias Li-ion é grandemente afetada pela profundidade de carga/descarga, taxa de carga/descarga, número de ciclos de carga, temperatura operacional e a geometria da célula. 

• Segurança de carga/descarga: As baterias Li-ion requerem um circuito de monitoramento e proteção de energia para prevenir superaquecimento e sobrecarga. Da mesma forma, durante um ciclo de descarga, o circuito de proteção limita a taxa de descarga para impedir que a voltagem da célula caia muito baixo. 

• Formato vs. capacidade: Embora os smartphones tenham ficado mais finos, o tamanho da bateria aumentou para fornecer maior capacidade. Como resultado, mais componentes estão sendo consolidados em SoCs e em placas flexíveis para dar espaço para baterias maiores. É desejável aumentar a capacidade sem aumentar o tamanho físico da bateria.

• Reciclabilidade: A corrida de novos veículos elétricos previstos para entrar em operação no futuro próximo levanta sérias preocupações sobre o fim da vida útil das baterias Li-ion. Novos materiais e estruturas de baterias podem ser necessários para reduzir a energia necessária para reciclar uma bateria Li-ion.

Os pacotes de bateria de polímero de íon de lítio oferecem um formato flexível com capacidade competitiva e características de carga/descarga. Materiais mais recentes podem possibilitar maior segurança com entrega de energia e capacidade superiores.

Avanços na Tecnologia de Baterias Começam com os Materiais

Os avanços mais recentes na tecnologia de baterias focaram em se afastar da química alcalina e da química de metal de níquel para a química de lítio. Os próximos avanços na tecnologia de baterias estão principalmente focados em materiais que abordam os desafios listados acima, e não necessariamente nos métodos e componentes externos de gestão de energia. Se você observar a indústria de baterias, há duas áreas onde as empresas estão inovando com novos materiais: os eletrodos e os eletrólitos.

Materiais de Ânodo/Cátodo Semi-porosos

Materiais porosos oferecem algumas vantagens únicas em materiais de ânodo e cátodo de baterias, desde que possam fornecer baixa resistência e alta condutividade térmica, esta última abordando uma preocupação primária de segurança em baterias de alta potência/capacidade para veículos elétricos. Um exemplo de material de ânodo é o grafite revestido com fitas de nanocarbono, que pode ser facilmente incorporado aos ânodos existentes para baterias de íon de lítio. A natureza porosa deste material específico fornece uma área de superfície ativa maior, o que permite um maior fluxo de carga para dentro/fora do terminal do ânodo e maior armazenamento de íons de lítio do que um eletrodo de grafite sólido.

Baterias Totalmente Sólidas

As baterias sólidas são de interesse pois permitem que um eletrólito líquido inflamável seja substituído por um eletrólito sólido não inflamável. O lítio também é de interesse aqui, pois isso permitiria que a química desses sistemas fosse preservada. No início deste ano, a Samsung anunciou o desenvolvimento de uma plataforma de bateria de íon de lítio totalmente sólida. A bateria da Samsung usou um material composto de prata-carbono como ânodo para suprimir o crescimento dendrítico de um ânodo metálico. Essas baterias ainda não estão disponíveis comercialmente, embora o uso de eletrólitos sólidos seja conhecido por ser mais seguro em comparação com os eletrólitos líquidos usados nas baterias comerciais de hoje.

Empresas como Toyota, Nissan e VW-backed Quantumscape estão construindo suas próprias plataformas de baterias sólidas para veículos elétricos. Uma vez comercializadas, essas plataformas poderiam ser revolucionárias para veículos elétricos, pois poderiam oferecer maior autonomia em um pacote menor sem aumentar o tempo de carregamento. Isso coloca o foco de volta nos projetistas de placas para construir os melhores sistemas de gestão para apoiar plataformas de baterias de veículos que sejam seguras e tenham a maior eficiência possível.

Materiais Separadores

Esta ainda é uma área de pesquisa científica, pois as membranas separadoras precisam ser altamente duráveis e porosas. Poliolefina é usada como separador nas baterias de íon de lítio comerciais, e qualquer novo material separador precisaria permitir uma alta troca de íons sem gerar excesso de calor. Também precisa ter alta resistência mecânica e estabilidade química. Pesquisadores ainda estão investigando novos materiais separadores para atender a essas demandas sem incorrer em grandes mudanças na química da bateria ou nas características elétricas.

Alguns exemplos de materiais para membranas separadoras. [Fonte]

Por que o foco em usar as mesmas plataformas de materiais que já foram comercializadas? A química atual usada nas baterias líderes de indústria (química alcalina ou de lítio) foi amplamente estudada e qualificada para segurança, tanto por reguladores governamentais quanto pela própria indústria de baterias. Uma vez que você muda a classe de materiais, também muda a química, e o extenso processo de avaliação começa tudo de novo. Portanto, muitos na indústria hesitam em se afastar das plataformas de materiais existentes; o investimento e os riscos são simplesmente altos demais.

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