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Italian Bateria de estado sólido: o futuro dos veículos elétricos
Índice
- Bateria de estado sólido: o futuro dos veículos elétricos
Atualmente, a ansiedade pela autonomia continua sendo o maior obstáculo à substituição completa de carros a gasolina por veículos de nova energia em todo o mundo. Embora muitas montadoras, como a Tesla com seu Supercharger V4 e a Xpeng com seu Supercharger S4, tenham introduzido tecnologias de carregamento rápido, essas estações de carregamento não são apenas caras, mas também carecem de ampla cobertura. Para realmente abordar as preocupações com a autonomia, somente baterias com alta densidade energética podem oferecer uma solução.
À luz dos desenvolvimentos recentes, nos últimos anos, a China, o Japão, a Coreia do Sul e a Europa concentraram-se no desenvolvimento de dispositivos de estado sólido. baterias com maior densidade energética. Com base na escolha do eletrólito, essas regiões adotaram três caminhos tecnológicos distintos:
- Europa: Foco principal em polímeros (com condutividade de cerca de 10-7-10-5S/cm) como eletrólito para baterias de estado sólido. No entanto, devido à baixa condutividade dos polímeros, as baterias de estado sólido produzidas em massa na Europa oferecem menor autonomia do que as baterias de lítio líquido com a mesma capacidade.
- Japão e Coreia do Sul: Sua principal ênfase está em sulfetos (com uma condutividade de cerca de 10-3-10-2S/cm) como eletrólito. Embora este material apresente condutividade ideal, seu complexo processo de fabricação e a inclusão de metais raros têm dificultado sua comercialização.
- China: Recorrendo predominantemente a óxidos (com uma condutividade em torno de 10-6-10-3S/cm) como eletrólito. Dada a rigidez e a alta porosidade do material, que podem impedir o fluxo suave de íons, a tecnologia atual exige a inclusão de um eletrólito, produzindo uma bateria de estado semissólido. Isso, no entanto, reduz a densidade energética da bateria. Como resultado, embora essas baterias de estado semissólido feitas de óxidos tenham sido incorporadas em modelos de ponta por empresas como NIO e Dongfeng, sua relação custo-benefício não tem sido suficientemente significativa para justificar a produção em larga escala.
Indo além desses caminhos tecnológicos tradicionais, pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China desenvolveram recentemente o oxicloreto de lítio-zircônio. Em termos de condutividade iônica, deformabilidade e custo, este material supera óxidos e sulfetos. O advento do oxicloreto de lítio-zircônio pode proporcionar à indústria uma solução inovadora e inovadora.
Pioneiros europeus: o empreendimento do Grupo Bolloré em tecnologia de baterias de estado sólido
As empresas europeias de energia limpa utilizam principalmente polímeros como eletrólito em seus esforços para impulsionar a pesquisa de baterias de estado sólido. Um ator notável nesse segmento é o Grupo Bolloré, da França. Em 2011, o Grupo Bolloré, como o primeiro operador mundial a utilizar baterias de estado sólido em um projeto de veículo elétrico, revelou seu veículo elétrico desenvolvido internamente, o Bluecar. Este veículo foi equipado com uma bateria de estado sólido de polímero de lítio metálico de 30 kWh, produzida por sua subsidiária Batscap, com autonomia de 120 km.
No entanto, vale destacar que a bateria de estado sólido de polímero de lítio metálico do Grupo Bolloré, com capacidade de 30 kWh, atingiu apenas 120 km de autonomia. Em contraste, o Modelo 3 da Tesla, equipado com uma bateria líquida de 60 kWh, pode atingir uma autonomia de mais de 400 km. Fazendo as contas, um modelo da Tesla equipado com uma bateria líquida de 30 kWh pode ultrapassar 200 km de autonomia, superando claramente o Bolloré Bluecar.
A principal razão para a autonomia significativamente reduzida da Bluecar em comparação com a Tesla, mesmo equipada com baterias de mesma capacidade, é a baixa condutividade das baterias de estado sólido que utilizam polímeros como eletrólito. Essa limitação também ressalta por que, apesar de ser a primeira na Europa a produzir baterias de estado sólido em massa, a adoção generalizada permanece incerta. Diante desse gargalo, outras grandes empresas europeias de energia limpa buscaram estratégias alternativas: parcerias com empresas líderes globais em baterias de estado sólido para manter uma vantagem competitiva no futuro setor de baterias automotivas.
Por exemplo, a Volkswagen investiu pesadamente na empresa de baterias de estado sólido QuantumScape, listada publicamente nos EUA. No final de 2014, a Volkswagen já detinha 51 TP3T em ações da QS. Em 2018 e 2020, o Grupo Volkswagen fez dois investimentos separados na QS, investindo 1 TP4T300 milhões em cada um, tornando-se o maior acionista da empresa.
Paralelamente a isso, ambas as empresas também estabeleceram uma joint venture com o objetivo de construir uma linha de produção de baterias de estado sólido até 2025. Com significativo apoio financeiro, a tecnologia da QuantumScape tem avançado continuamente. Por exemplo, as baterias QS de camada única anteriores, sob temperatura e pressão ambientes, conseguiam manter 90% de seu armazenamento inicial de energia após 1.000 ciclos de carga a uma taxa de 1C. Agora, sob as mesmas condições, suas baterias multicamadas ainda conseguem reter 90% de seu armazenamento de energia após 800 ciclos.
No entanto, até o momento, a QS não lançou baterias produzidas em massa, enquanto as baterias de estado sólido dos concorrentes estão gradualmente entrando em produção em massa, aumentando a pressão sobre a QS. Atualmente, embora a Europa tenha sido a primeira a comercializar baterias de estado sólido, a baixa condutividade dos polímeros e as incertezas em torno da viabilidade comercial das empresas em que investem têm retardado seu avanço no setor de baterias de estado sólido.
Gigantes japoneses lideram em patentes de baterias de estado sólido baseadas em sulfeto
Sulfetos, outrora considerados os eletrólitos mais promissores em baterias de estado sólido, apresentam diversas vantagens, como alta condutividade e maleabilidade. No entanto, a abordagem tecnológica de usar sulfetos como eletrólitos envolve um processo de produção mais complexo. Por exemplo, durante o processo de fabricação, os sulfetos podem reagir com a água e o oxigênio do ar, produzindo o gás sulfídrico altamente tóxico. Resolver esse problema exige o aprimoramento do processo de produção, o que, consequentemente, aumenta os custos.
Para dar um salto na corrida energética, empresas japonesas e coreanas de energia limpa demonstraram uma clara preferência pelo uso de sulfetos como eletrólito em suas baterias de estado sólido. Essa complexidade nos procedimentos tecnológicos levou essas empresas a intensificar suas pesquisas na área de baterias de estado sólido, o que as levou a acumular um portfólio significativo de patentes técnicas.
De acordo com dados divulgados pelo Nikkei Chinese Web em colaboração com a empresa de pesquisa de patentes Patent Result, de 2000 até o final de março de 2022, as principais empresas de baterias elétricas em termos de patentes de baterias de estado sólido divulgadas publicamente foram a Toyota, com 1.331 patentes; seguida pela Panasonic Holdings, com 445 patentes; e a Showa Shell Sekiyu, em terceiro lugar, com 272 patentes. As três empresas japonesas concentram sua P&D em baterias de estado sólido à base de sulfeto, sendo a Toyota a mais avançada. Já em 22 de junho de 2017, a Toyota havia solicitado uma patente nos EUA para uma bateria de estado sólido usando sulfetos como eletrólito.
Recentemente, a Toyota revelou à mídia que desenvolveu uma bateria de estado sólido com capacidade de autonomia de 1.200 quilômetros, carregando em apenas 10 minutos, com planos de lançar veículos equipados com essas baterias no mercado até 2025. Apesar da ambição da Toyota de produzir em massa veículos equipados com baterias de estado sólido usando sulfetos como eletrólito, as complexidades técnicas aliadas aos altos custos devido ao uso de vários metais raros podem dificultar a adoção em larga escala.
Atualmente, o preço médio global do eletrólito em baterias de íons de lítio não ultrapassa $10/kg. Em contraste, o material primário para o eletrólito sólido de sulfeto, Li2S, varia de $1.500 a $2.000/kg. Isso significa que o eletrólito de sulfeto custa mais de 150 vezes o preço do eletrólito usado em baterias de íons de lítio.
Desenvolvimento de baterias de estado sólido chinesas: eletrólitos de óxido lideram o caminho
Empresas nacionais, refletindo as tendências europeias, utilizam principalmente óxidos como eletrólito para impulsionar a pesquisa e o desenvolvimento de baterias de estado sólido. De acordo com dados incompletos, após 2022, diversas montadoras chinesas começaram a incorporar baterias de estado semissólido em seus modelos. Especificamente, modelos como o ES6 da NIO, o E70 da Dongfeng e o Zhui Feng da Lantu utilizam predominantemente baterias com eletrólitos à base de óxido.
No entanto, baterias de estado sólido que empregam óxidos como eletrólitos apresentam dureza intrínseca. Dado que as partículas de óxido existem em uma forma de contato pontual, as baterias de estado sólido resultantes não só possuem baixa maleabilidade, mas também exibem alta porosidade. Essa textura rígida pode causar fraturas no eletrólito, interrompendo a transmissão de íons. A alta porosidade pode impedir as vias de transferência de íons dentro do sistema de bateria. Consequentemente, para garantir que as partículas do material ativo mantenham contato e transmissão de íons ideais, mesmo quando ocorrem rachaduras ou quebras, baterias de estado sólido com eletrólitos de óxido são naturalmente adequadas para um formato híbrido sólido-líquido. Este projeto híbrido integra a camada de eletrólito de óxido sólido e um eletrólito líquido preenchendo os poros, evitando efetivamente os problemas mencionados.
No entanto, baterias de estado sólido que incorporam líquidos, devido ao seu reduzido teor de eletrólitos sólidos, não apresentam o mesmo aumento de densidade energética que as baterias totalmente sólidas. Por exemplo, a bateria de estado semissólido do ES6 tem uma densidade energética de 360 Wh/kg. Como resultado, embora as baterias de estado semissólido chinesas tenham alcançado a comercialização, seu modesto aumento de densidade energética, menor condutividade do que o lítio líquido e o custo elevado dos eletrólitos de óxido podem relegá-las a produtos de transição na evolução das baterias.
Mudando o foco, a recente inovação da Universidade de Ciência e Tecnologia da China apresenta um novo eletrólito de estado sólido: oxicloreto de lítio e zircônio. Este eletrólito inovador apresenta desempenho comparável aos eletrólitos de estado sólido de sulfeto e óxido mais avançados, mas a apenas 4% do custo destes últimos. Este é, inegavelmente, um desenvolvimento revolucionário no setor chinês de baterias de estado sólido.
A introdução do oxicloreto de lítio e zircônio representa avanços simultâneos nos aspectos de desempenho e custo dos eletrólitos de estado sólido. No entanto, essa tecnologia ainda está em fase de laboratório. A possibilidade de sua produção em larga escala permanece uma incerteza significativa. Independentemente disso, a descoberta do oxicloreto de lítio e zircônio traz profundas implicações para a comercialização de baterias de lítio totalmente em estado sólido.
No cenário atual, os três principais eletrólitos para baterias de estado sólido — polímeros, óxidos e sulfetos — apresentam falhas inerentes sem soluções imediatas à vista. Isso fez com que a atual produção em pequena escala de baterias de estado sólido não fosse tão econômica para integração em veículos quanto suas contrapartes líquidas. No entanto, o oxicloreto de lítio-zircônio, recentemente desenvolvido por pesquisadores chineses, pode trazer um vislumbre de esperança, potencialmente revolucionando a indústria de baterias de estado sólido e abordando a ansiedade de autonomia associada às novas baterias de energia.
