Durante muito tempo a tecnologia predominante de baterias tem sido a de chumbo-ácido, que ainda faz parte do nosso dia a dia, servindo, por exemplo, como bateria de arranque para motores à combustão. No entanto, a tecnologia com maior taxa de crescimento no seu uso, tem sido a tecnologia de íons de lítio.
Lítio é um material fascinante: um metal de coloração cinza, extremamente leve, e altamente reativo. Em contato com água, ele flutua, e proporciona uma violenta reação química, gerando hidróxido de lítio (LiOH) e hidrogénio.
Reação química de lítio em água
Fonte: Quora
O lítio é amplamente distribuído no nosso planeta, porém, em concentrações muito baixas, devido a sua elevada reatividade. Estima-se que os oceanos contêm 230 bilhões de toneladas de lítio, porém a concentração do metal na água marinha é muito baixa – são apenas 0,14 a 0,25 partículas de lítio por um milhão de partículas de água (ppm). Em formações rochosas fora dos oceanos o lítio aparece em concentrações um pouco maiores, de até 70 ppm, o que continua sendo muito baixo. Por isto, a extração e o processamento de lítio são bastante caros. Dois países detêm a maioria das reservas mundiais de lítio – o Chile (estimativa de 7,5 milhões de toneladas), e a Bolívia (5,4 milhões de toneladas).
Baterias de íons de lítio são compostas por um catodo formado por lítio e outros metais, um anodo de grafito, separados por uma membrana e um eletrólito líquido orgânico.
Gráfico bateria de íons de lítio
Fonte: US Department of Energy
Em comparação com baterias de chumbo-ácido, elas têm proporcionado um avanço dramático na vida útil e na densidade energética.
Não é exagero afirmar que a revolução tecnológica promovida por computadores, tablets e celulares, e o avanço da internet não teriam sido possíveis sem as baterias de íons de lítio. E parece que esta mesma tecnologia será capaz de promover mais uma revolução tecnológica – a de substituir motores a combustão por motores elétricos, alimentados por baterias de alto rendimento.
Mas será que vai mesmo? Muitos especialistas afirmam que a tecnologia de íons de lítio nunca será capaz de atingir os patamares de custos necessários para que armazenamento em grande escala se torne realidade. Por muito que seja impressionante a redução de preços de quase 90% durante os últimos 10 anos, o atual patamar de preços de células de lítio – a cerca de USD 150/kWh de acordo com a Bloomberg NEF – ainda está muito longe do patamar que precisaríamos para realmente massificar o uso de sistemas de armazenamento: USD 20-30/kWh.
Evolução de preço de células de íons de lítio
Fonte: BloombergNEF
E ainda há outros problemas, além do custo. A maioria dos catodos das baterias de íon de lítio contêm cobalto que contribui para aumentar a condutividade e a estabilidade estrutural da bateria durante os ciclos de carga e descarga. O cobalto é um metal tóxico e muitas vezes sua mineração acontece em condições extremamente precárias.
Mineração de cobalto na República Democrática do Congo
Fonte: BBC
Por fim, ainda há outro ‘desfio’ a ser mencionado – as versões de células de íons de lítio mais usadas, as chamadas células de NMC (Lítio-níquel-manganês-óxido de cobalto) e NCA (Lítio-cobalto-óxido de alumínio) não toleram temperaturas elevadas. Consequentemente, baterias de lítio de grande porte precisam de um gerenciamento térmico capaz de controlar e modular suas temperaturas, principalmente durante os momentos de carga e descarga. As células de NCA entram em ‘thermal runaway’ (aquecimento descontrolado levando a combustão da célula) a partir de 150 graus, e as células de NMC a partir de 210 graus.
Diante destes desafios não faltam esforços para desenvolver e industrializar novas tecnologias de baterias que sejam mais baratas, tenham maior densidade energética e também sejam mais tolerantes a regimes operacionais extremos. Cada mês aparece uma nova tecnologia, supostamente capaz de revolucionar o setor de energia elétrica. Fala-se de baterias de fluxo, baterias de sal fundido, baterias de sódio, de ar-zinco, de ar-lítio, de lítio metálico, e de outras baterias de ‘solid state’. Qual destas tecnologias prevalecerá? Qual realmente será capaz de promover a revolução do setor energético da qual tanto se fala? Parece tudo muito confuso.
Neste momento somente temos duas certezas – a primeira é que o portfolio tecnológico de baterias vai mudar; e a segunda é que será impossível determinar quais tecnologias prevalecerão.
A escolha da tecnologia supostamente ‘vencedora’ não é trivial, até porque os requisitos exigidos pelos diferentes campos de aplicação são muito distintos. Para mobilidade elétrica, a densidade energética e a capacidade de realizar cargas e descargas rápidas estão em primeiro lugar. Para aplicações estacionárias, tais como sistemas off-grid, não há que se preocupar tanto com densidade energética. É muito mais importante que o sistema seja capaz de realizar longos períodos de descarga e que ele seja econômico. Afinal, o desafio para sistemas compostos por baterias e geradores renováveis é de ser competitivo com o custo de geração de fontes fósseis, tais como geradores à Diesel ou gás. Muitos especialistas acreditam que as baterias de íons de lítio, pelo menos na forma como as conhecemos hoje, não darão conta de preencher todos estes requisitos.
Uma vertente de desenvolvimento alternativo envolve as chamadas baterias de fluxo. São baterias fundamentalmente diferentes das demais.
Anodo e catodo são compostos por elementos químicos dissolvidos em líquidos. A troca de íons entre os dois polos, responsável pela geração de corrente elétrica, ocorre através de uma membrana, enquanto ambos líquidos circulam em seus respectivos containers. As vezes estas baterias também são chamadas de ‘redox-flow-batteries’ porque a carga e descarga da bateria ocorre através de processos de redução (captação de elétrons) e oxidação (liberação de elétrons) dos elementos químicos contidos nos containers.
Esquema funcional de bateria de fluxo
Fonte: Wikimedia
Existem baterias de fluxo com distintas composições químicas: óxido de ferro, brometo de zinco, enxofre aquoso, entre outras. Todas elas apresentam algumas caraterísticas muito interessantes – permitem durações de descarga muito longas, que não estão sujeitas a degradação e algumas delas, como por exemplo as baterias de óxido de ferro, não contêm nenhum elemento tóxico. Além disto não dependem de nenhum material potencialmente escasso, como o lítio ou o cobalto.
No entanto, sua eficiência de conversão e sua densidade energética são inferiores as de baterias de lítio. Por isto, dificilmente veremos um carro elétrico movido por bateria de fluxo. Mas, possivelmente, teremos este tipo de baterias instaladas em ilhas, ou áreas remotas onda elas, em conjunto com geradores fotovoltaicos ou eólicos, substituirão geradores fósseis.
Entre as baterias sem lítio também vale a pena mencionar baterias de ar-zinco, compostas por anodos e zinco, eletrólito com base de água e catodos compostos por material catalítico poroso. Apesar de usarem um principio funcional totalmente diferente, seu perfil de vantagens e desvantagens é parecido com os das baterias de fluxo.
Esquema funcional de bateria de ar-zinco
Fonte: Iliotec
Outra alternativa, potencialmente interessante, é a substituição de lítio por outros metais leves, tais como o sódio. Os íons de sódio têm um volume atômico maior que os de lítio, e consequentemente baterias de sódio não conseguirão atingir a mesma densidade energética que baterias de lítio. Em contrapartida, é um material muito mais abundante, sendo que mais que 2% da crosta terrestre é composta por sódio. Além disto, os catodos de óxido de sódio não precisam de cobalto para funcionar, o que elimina outro problema enfrentado pela maioria das atuais baterias de lítio. Os processos de produção de baterias de íons de sódio são parecidos àqueles das baterias de lítio, permitindo assim a readaptação de linhas de produção existentes por um custo relativamente baixo. Diante dos investimentos maciços já realizados na cadeia produtiva de baterias de lítio, esta semelhança nos processos fabris pode ser um aspecto interessante para facilitar a transição para baterias de sódio.
Esquema funcional de bateria de íons de sódio
Fonte: Wikimedia
As atuais baterias de íons de lítio dificilmente ultrapassam uma densidade energética de 250Wh/kg. Em comparação, um litro de gasolina consegue armazenar 8.760 Wh de energia e um quilo do combustível quase 12.700 Wh (combustível é mais leve que água). Mesmo levando em consideração que a eficiência de conversão de motores à combustão é substancialmente inferior àquela de motores elétricos (20-30% vs. 95-99%), a diferença de autonomia entre um carro convencional e um carro elétrico ainda é gritante. Para atingir níveis de autonomia acetáveis (uns 200-400km) carros elétricos precisam de bancos de baterias grandes e muito pesados. Por exemplo, as baterias de um Tesla Model 3 pesam quase 500 quilos. Consequentemente, a maioria das iniciativas de pesquisa e desenvolvimento na área de lítio está focada em aumentar a densidade energética deste tipo de bateria. Uma das estratégias mais promissoras para atingir este objetivo é de substituir o eletrólito líquido por material sólido. Estas baterias geralmente usam anodos de lítio puro e catodos de NCM (níquel-cobalto-manganês) ou enxofre-carbono.
Esquema funcional de bateria de lítio ‘solid state’
Fonte: Royal Society of Chemistry
A primeira geração de baterias ‘solid state’ tem conseguido ultrapassar os 500 Wh/kg. Recentemente, pesquisadores japoneses apresentaram um protótipo com densidade energética superior a 900Wh/litro e vida útil de aproximadamente 1.000 ciclos, o que, sem dúvida, é um grande avanço. No entanto, a concentração energética em baterias solid state tem enfrentado um desafio antigo – o crescimento descontrolado dos chamados dendritos. Dendritos são depósitos de lítio, causados pelos ciclos de descarga e carga, e capazes de perfurar e atravessar o eletrólito sólido, causando assim curto circuitos internos entre catodo e anodo da célula.
Desenvolvimento de dendritos em eletrólito de bateria de lítio ‘solid state’
Fonte: Park et al., Electrochem. Society, 2019
Finalmente, não podemos deixar de mencionar uma tecnologia totalmente diferente das baterias eletroquímicas: as chamadas células de combustível. Trata-se de uma tecnologia antiga, desenvolvida no século 19 pelo pesquisador britânico William Grove e industrializada nos anos 1960 pela empresa norte-americana General Eletric. Células de combustível transformam energia química em energia elétrica, sem passar por um processo de combustão. A maioria das células de combustível usam o hidrogênio como sua fonte de energia. O sistema de armazenamento consiste então de um tanque de hidrogênio acoplado a uma célula de combustível, que por sua vez abastece diferentes consumidores, tais como motores elétricos. Há muitos anos, células de combustível tem sido usadas para carros elétricos experimentais, por oferecer duas vantagens importantes: elevada autonomia e tempos de reabastecimento muito curtos. Um dos poucos veículos de série atuais usando célula de combustível é o Toyota Mirai. A célula de combustível dele tem uma potência máxima de 114 kW e é abastecida por dois tanques de hidrogênio de alta pressão, capazes de armazenar 5 kg de combustível. O Mirai tem uma autonomia de aproximadamente 500 km e pode ser reabastecido em poucos minutos.
Célula de combustível e tanque de hidrogênio do Toyota Mirai
Fonte: Wikimedia
No entanto, carros movidos por células de combustível enfrentam dois grandes desafios. Primeiro, sua eficiência é menor que àquela de carros elétricos com baterias. As perdas elétricas inerentes à geração, transmissão e armazenamento de energia elétrica em baterias são muito menores que as perdas que acontecem na geração, no transporte e armazenamento de hidrogênio, principalmente por tratar-se de um gás extremamente leve e volátil. Segundo, os investimentos necessários para estabelecer uma infraestrutura de transporte e armazenamento de hidrogênio seriam significativos, enquanto que, a infraestrutura para distribuição de energia elétrica já existe.
Como falei anteriormente, é difícil prever quais tecnologias de armazenamento prevalecerão, mas acredito que conseguimos vislumbrar algumas tendências gerais –
- Aplicações de mobilidade elétrica continuarão usando baterias de lítio. Muito provavelmente, as atuais baterias com eletrólitos líquidos serão substituídas por baterias sólidas, na medida que seja possível superar os desafios inerentes a esta nova tecnologia. A célula de combustível, pelo que parece, não será a tecnologia vencedora, mas será usada em nichos que precisam de elevada autonomia ou de rapidez no reabastecimento;
- Aplicações estacionárias de grande porte, tais como sistemas de armazenamento off-grid ou sistemas acoplados à grandes usinas renováveis poderão aproveitar-se das vantagens oferecidas por baterias de fluxo. Mas, por muito promissores que sejam, as vantagens tecnológicas destas baterias ainda não estão comprovadas. Os fornecedores de baterias de fluxo, que na sua maioria ainda são start-ups ou empresas pequenas, ainda precisam comprovar que serão capazes de cumprir com suas promessas;
- Sistemas estacionários de menor porte, para consumidores industriais, comerciais e residenciais, provavelmente usarão baterias de íons de lítio de baixo custo, tais como baterias LFP ou baterias NCM otimizadas para elevados números de ciclos e baixas velocidades de carga e descarga. Dentro de alguns anos, estes consumidores, talvez possam migrar para baterias de íons de sódio, para atingir um patamar de custos ainda menor;
É importante ressaltar que, este prognóstico ainda é muito preliminar. O mundo de pesquisa e desenvolvimento está cheio de desafios e surpresas inesperadas. Mas a experiência mostra que, a criatividade humana junto com dedicação e o esforço são capazes de gerar resultados que ultrapassam até os prognósticos mais ousados. Por exemplo, bateria por USD 20-30/kWh, com densidade energética superior a 500 kWh/kg e com vida útil de milhares de ciclos hoje em dia parece utópico. Mas talvez não o seja.
