As baterias de íons de lítio comercialmente disponíveis não atendem a demanda dos carros elétricos.
As baterias de íons de lítio existem comercialmente desde os anos 90, e, desde então, os desenvolvimentos na área tiveram um crescimento impressionante. O que é mais animador neste cenário é a constatação de que, quanto maior a exigência das baterias — qualidade e capacidade —, maior a influência dos materiais utilizados para a construção desses sistemas.
Na cadeia de valor dos sistemas de energia, o desenvolvimento dos materiais ativos vem após a etapa de mineração dos metais e minerais. Necessariamente, o sucesso dos desafios de evolução das baterias está diretamente relacionado à estes desenvolvimentos, que transformam estes materiais em matéria-prima base para a construção desses sistemas.
A principal razão pela busca de um substituto do grafite natural como anodo em baterias de íons de lítio é — além da sua limitação em relação à capacidade reversível, 572mAh/g — sua limitação como recurso não renovável. O grafite está na lista dos minerais considerados estratégicos no mundo, pela limitação natural contra a alta previsão de demanda, quando considerados os volumes de grafite necessários às baterias de íons de lítio para atender ao mercado de veículos elétricos.
Demandas e projeções da indústria automobilística
A energia específica (densidade de energia gravimétrica) das baterias de íons de lítio comercialmente disponíveis apresentam um anodo de grafite e um óxido ou fosfato de transição metálico/Li, e está na faixa de 120-220Wh/kg. A faixa típica de densidade de energia (densidade de energia volumétrica) está entre 300 a 400Wh/L. Para veículos elétricos, são necessários valores de energia específica duas a três vezes maior.
Segundo um boletim apresentado pela BlombergNEF, que fornece uma perspectiva em longo prazo de vendas de veículos a nível mundial, a previsão é que em 2040, mais da metade das vendas dos veículos de passageiros serão elétricos.
Projeção de vendas de veículos apresentado no boletim da Bloomberg, estimando que, em 2040, os carros elétricos representem mais da metade do total de vendas.
O sucesso para estas previsões vem de longos anos de planejamentos de organizações espalhadas pelo mundo, pensando em toda a cadeia de geração de valor do processo: desenvolvimento dos insumos, questões de sustentabilidade, regulamentações para limite de emissão de CO2,, e etc.
Nanocarbonos em baterias de alta performance
A quantidade total de energia estocada por uma bateria é determinada pela quantidade de material ativo do catodo e a correspondente quantidade de material ativo do anodo. Isso significa que uma forma de maximizar a energia específica e a densidade de energia de uma bateria é maximizar a quantidade de material ativo e minimizar as quantidades de todos os outros componentes (materiais não ativos). É aí que entram os nanomateriais que têm a proposta de otimização das características essenciais. Um exemplo é a utilização de nanocarbonos em substituição ao grafite natural no anodo da bateria, aumentando a condutividade elétrica, térmica, estabilidade de ciclo, entre outros ganhos.
Em uma busca básica no site Espacenet, usando as palavras-chave storage e graphene, 4.150 patentes são encontradas. Os principais países depositantes são a China, os Estados Unidos, a Coréia do Sul e o Japão. De 2002 até 2020, houve um crescimento, chegando a cerca de 700 patentes em 2019. Quando se compara esta pesquisa com as palavras-chave storage e natural grafite, encontram-se apenas 210 resultados e os principais depositantes são, em ordem: China, Japão, Estados Unidos, Alemanha e Coréia do Sul.
Esta busca ilustra a corrida pela otimização das baterias de íons de lítio e a expectativa em torno dos desenvolvimentos com grafeno. Isso porque as possibilidades de utilização de grafeno para ganhos de performance nos sistemas de energia são inúmeras vezes maiores do que com o uso do grafite natural. Apesar disso, ainda existem desenvolvimentos recentes que utilizam o grafite natural como insumo nesses sistemas. Essas possibilidades de retrabalhar materiais já conhecidos são bastante atraentes e nunca devem ser ignoradas.
Em relação aos insumos, de maneira geral, tanto dos anodos quanto dos catodos, vários óxidos metálicos têm sido também muito estudados como compósitos, onde se adiciona ao grafite, grafeno ou outro nanocarbono (como óxido de estanho, ferro, cobalto, molibdênio e nióbio) para a formação do eletrodo. Há ainda diferentes tecnologias de obtenção destes novos materiais sendo desenvolvidas. Processos como sol gel e formas variadas de deposição são, junto aos materiais, métodos que estão sendo estudados buscando melhorar as características necessárias às baterias de alta performance: longo ciclo de vida, alta capacidade de energia, segurança, menor custo e abundância.
O Projeto Centelha
A Nanos está trabalhando atualmente no Projeto ‘Anodo de grafeno para baterias de íons de lítio’ que se situa neste contexto, e tem o objetivo de desenvolver uma nova tecnologia. Das mais de 500 ideias submetidas para o estado de Minas Gerais, o projeto “Anodo de grafeno para baterias de íons de lítio” foi uma das selecionadas, e teve início oficial em janeiro de 2021!
A ideia é que estes nanomateriais de carbono, com foco no uso do grafeno, sejam o componente principal deste novo anodo, de forma que as propriedades inerentes ao nanomaterial reflitam na melhoria do desempenho da bateria.
O Programa Centelha é o impulso inicial deste Projeto. Com os recursos financeiros e parcerias estabelecidas para o Edital Centelha (financiado pela FAPEMIG e FINEP), o Projeto avançará na cadeia de desenvolvimento até a etapa de protótipo testado. São parceiros atuais deste Projeto, as empresas Abalonyx, Graphene Batteries e as ICTs SENAI CIMATEC e o Laboratório de armazenadores e fornecedores de energia elétrica da UNICAMP.
Obs: Em breve teremos uma página do site da Nanos para falar mais sobre o Projeto. Fique ligado! 😉
Referências:
1. Lithium-Ion Batteries, A Machine-Generated Summary of Current Research, Springer Nature Switzerland AG, Beta Writer, 2019. https://doi.org/10.1007/978-3-030-16800-1_1
2. New Energy Outlook 2020, Executive Summary, BlombergNEF, 2020. https://assets.bbhub.io/professional/sites/24/928908_NEO2020-Executive-Summary.pdf
Este artigo foi escrito em 01/04/2024 por Fernanda Vieira, revisado por Camila de Oliveira Viana e Fernanda Alvarenga, que também otimizou o texto.
