O que são baterias de estado sólido?
Para os interessados no sector das baterias, o termo "bateria de estado sólido" é certamente familiar. Esta nova tecnologia é considerada uma atualização das baterias de lítio, capaz de aumentar significativamente a vida útil das baterias actuais em várias vezes.
Especialmente na indústria dos veículos eléctricos, as baterias de estado sólido são vistas como a chave para revolucionar o sector. Imagine um carro elétrico que pode percorrer 1000 km e que demora apenas quinze minutos a carregar completamente - quão aliciante é isso?
Este potencial levou a uma intensa concorrência entre todos os fabricantes de baterias neste domínio. Então, o que é que torna as baterias de estado sólido tão mágicas? Leia o seguinte artigo para ficar a conhecer melhor as baterias de estado sólido.
O que é uma bateria de estado sólido?
O conceito de bateria de estado sólido foi introduzido pela primeira vez pelo cientista britânico Michael Faraday. No entanto, durante mais de um século, os electrólitos sólidos pareceram desvanecer-se do palco da história, desaparecendo da vista do homem. No início deste século, a humanidade retomou calmamente o ponto em que Faraday parou há mais de 100 anos, embarcando mais uma vez na exploração de electrólitos sólidos.
A maior diferença entre as baterias de estado sólido e as baterias de lítio é a SSB ausência de electrólitos líquidos ou em gel. Em vez disso, as baterias de estado sólido utilizam compostos de vidro feitos de lítio ou sódio como electrólitos sólidos, através dos quais os iões de lítio migram. Nos sólidos, a condutividade iónica é relativamente elevada e o risco de fugas e de produção de gás é minimizado, aumentando assim a segurança e a densidade energética da bateria.
Porquê desenvolver baterias de estado sólido?
Na indústria das baterias, considera-se que as baterias de lítio líquido, quer se trate de fosfato de ferro-lítio ou de baterias ternárias de lítio, atingiram os seus "limites". Tornou-se cada vez mais difícil conseguir novos avanços tecnológicos. Isto significa que, para obter baterias de maior capacidade com volumes mais pequenos, têm de ser desenvolvidas novas tecnologias.
Ao mesmo tempo, as baterias de estado sólido podem resolver fundamentalmente os principais riscos de segurança das baterias de iões de lítio. As baterias tradicionais de iões de lítio podem auto-inflamar-se ou explodir devido aos electrólitos orgânicos inflamáveis e voláteis que contêm.
Além disso, problemas como a corrosão do eletrólito, a volatilização e as fugas podem representar sérios riscos de segurança para o sistema de baterias. Electrólitos sólidospor outro lado, são inerentemente não inflamáveis, resistentes ao calor, não corrosivos e não voláteis. Oferecem uma melhor resistência mecânica, estabilidade térmica e estabilidade eletroquímica em comparação com os electrólitos tradicionais, pelo que reforçar significativamente a segurança da bateria.
Três vias principais para as baterias de estado sólido
As baterias de estado sólido seguem principalmente três trajectórias tecnológicas: polímero, óxido e sulfureto. Os materiais do cátodo e as vias das baterias de estado sólido não diferem significativamente dos das baterias de lítio líquido. As diferentes vias tecnológicas distinguem-se principalmente pelos tipos de electrólitos utilizados. Com base nos electrólitos, as vias das baterias de estado sólido podem ser divididas em três categorias: polímero, óxido (película ou não película) e sulfureto, cada uma com as suas vantagens e desvantagens.
A. Polímero
Vantagens:
-
- Fácil de processar, e os equipamentos e processos de produção de electrólitos líquidos existentes podem satisfazer as necessidades de produção e investigação.
Desvantagens:
-
- Baixa condutividade, necessitando de aquecimento a 60 graus Celsius para funcionar corretamente.
- Baixa estabilidade, incompatível com materiais catódicos de alta tensão e propenso a incendiar-se a altas temperaturas.
- Janela eletroquímica estreita, com o eletrólito a decompor-se facilmente com diferenças de tensão elevadas (>4V).
B. Sulfureto
Vantagens:
-
- Condutividade mais elevada e uma ampla janela de estabilidade eletroquímica (acima de 5V), tornando-o o mais promissor para o desenvolvimento.
Desvantagens:
-
- Fraca estabilidade térmica, com a reação térmica a iniciar-se a uma temperatura de 400-500°C.
- Processo de preparação complexo e propenso a reagir com água e oxigénio no ar para produzir gás sulfídrico altamente tóxico.
C. Óxido
Vantagens:
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- Boa condutividade e estabilidade, maior condutividade iónica do que o polímero, estabilidade térmica até 1000 graus Celsius e excelente estabilidade mecânica e eletroquímica.
Desvantagens:
-
- Condutividade inferior à dos sulfuretos.
- Problemas com o contacto da interface rígida.
Atualmente, as direcções de investigação dos vários fabricantes de baterias diferem. A China e os Estados Unidos centram-se principalmente nas vias do óxido, explorando simultaneamente novas vias. As empresas japonesas, como a Honda, tendem a favorecer a via do sulfureto. Devido aos custos de investigação relativamente mais baixos e à dificuldade, várias baterias de estado semi-sólido viram aplicações comerciais no sistema de óxido até 2024. No entanto, numa perspetiva de longo prazo, apesar da elevada dificuldade de investigação, o eletrólito sólido de sulfureto, com o seu excelente desempenho e potencial significativo, continua a atrair investimentos substanciais e esforços de investigação de empresas de baterias bem capitalizadas.
Três vias principais para as baterias de estado sólido
Vantagens das pilhas de estado sólido
Alta densidade energética:
Com a utilização de electrólitos de estado totalmente sólido, o sistema de materiais aplicável às baterias de iões de lítio muda significativamente. Uma mudança fundamental é a eliminação da necessidade de ânodos de grafite intercalados com lítio. As baterias de estado sólido podem utilizar o lítio metálico como material anódico. A capacidade específica teórica do lítio metálico é de 3860 mAh/g, em comparação com apenas 372 mAh/g para o ânodo de grafite nas baterias de iões de lítio tradicionais. Isto permite que as baterias ultrapassem as limitações químicas e atinjam níveis de desempenho mais elevados.
Volume mais pequeno:
As baterias tradicionais de iões de lítio requerem separadores e electrólitos que, em conjunto, ocupam cerca de 40% do volume da bateria e 25% da sua massa. Ao substituí-los por electrólitos sólidos (principalmente materiais cerâmicos orgânicos e inorgânicos), a distância entre os eléctrodos positivo e negativo (tradicionalmente preenchidos por separadores e electrólitos, agora preenchidos por electrólitos sólidos) pode ser reduzida para apenas alguns a dezenas de microns. Isto significa que as baterias podem ser mais pequenas, tornando a tecnologia de baterias de estado sólido um passo crucial para a miniaturização das baterias.
Elevada plasticidade:
A utilização da cerâmica como eletrólito sólido tem a vantagem de apresentar uma plasticidade surpreendente quando fina, apesar de a cerâmica ser frágil no contacto diário. Mesmo depois de centenas de curvas ou dobras, a capacidade da bateria, a eficiência da carga-descarga e o tempo de vida permanecem praticamente inalterados. Isto significa que as baterias de estado sólido podem ser fabricadas em qualquer formato, oferecendo maior flexibilidade de design para dispositivos electrónicos, potencialmente conduzindo a formas e estruturas inovadoras e impulsionando a inovação tecnológica de produtos.
Segurança reforçada:
Nas baterias de iões de lítio tradicionais, a utilização de lítio metálico como material anódico pode levar à formação de dendritos durante a carga e a descarga. As dendrites são estruturas em forma de agulha ou de árvore formadas pela deposição irregular de lítio metálico no eletrólito. Estas dendrites podem crescer e potencialmente penetrar no separador, causando o contacto direto entre os eléctrodos positivo e negativo, conduzindo a curto-circuitos e possivelmente a incêndios ou explosões.
Além disso, os electrólitos líquidos orgânicos das baterias tradicionais são propensos a reacções secundárias, oxidação, produção de gás e combustão a altas temperaturas. Os materiais sólidos podem evitar completamente estes problemas.
Melhor desempenho a altas e baixas temperaturas:
A gama de temperaturas de funcionamento das baterias de estado sólido atualmente anunciadas é de -20°C a 105°C. Os electrólitos das baterias de iões de lítio utilizam solventes orgânicos inflamáveis, o que representa um risco em ambientes de alta temperatura. Os electrólitos das baterias de estado sólido não utilizam materiais inflamáveis, o que as torna adequadas para utilização a temperaturas mais elevadas.
A baixas temperaturas, a mobilidade dos iões nos electrólitos líquidos pode tornar-se lenta, reduzindo o desempenho e a tensão da bateria. Os electrólitos sólidos não congelam como os líquidos, pelo que as alterações da resistência interna são mínimas, mantendo um melhor desempenho a baixas temperaturas.
Comparação entre as baterias de iões de lítio e as baterias de estado sólido
| Caraterística | Bateria de iões de lítio | Bateria de estado sólido |
|---|---|---|
| Densidade energética | 150-250 Wh/kg | 250-500 Wh/kg |
| Tipo de eletrólito | Eletrólito líquido ou em gel | Eletrólito sólido |
| Segurança | Risco de fuga, incêndio e explosão | Menor risco, mais estável |
| Temperatura de funcionamento | -20°C a 60°C | -30°C a 100°C |
| Ciclo de vida | 500-1000 ciclos | 1000-3000 ciclos |
| Custo | Relativamente baixo | Atualmente elevado |
| Complexidade de fabrico | Processos estabelecidos | Complexo, menos estabelecido |
| Disponibilidade comercial | Amplamente disponível | Limitado, em desenvolvimento |
Três vias principais para as baterias de estado sólido
QuantumScape
Antecedentes da empresa: A QuantumScape foi fundada em 2010 e é liderada pelo Presidente e Diretor Executivo Dr. Jagdeep Singh. A empresa está sediada em San Jose, Califórnia, e opera tanto nos EUA quanto no Japão.
Tecnologia: A QuantumScape centra-se na tecnologia de óxidos. A sua bateria de estado sólido é única na medida em que não pré-define um material anódico. Durante o carregamento, o lítio metálico puro transforma-se em iões de lítio que migram para o outro lado da bateria para formar o ânodo, uma técnica a que chamam "sem ânodo". Isto é possível graças ao material cerâmico patenteado utilizado no separador da bateria, que permite que os iões de lítio se movimentem livremente, impedindo que o lítio metálico reaja com o material do cátodo e forme dendrites.
Vantagens: QuantumScape criou mais de 200 patentes e aplicações. O seu separador cerâmico de estado sólido patenteado, combinado com electrólitos líquidos orgânicos (católito), permite a personalização de materiais de católito mais adequados aos requisitos de tensão e transmissão do cátodo.
Últimos progressos: Em 27 de março de 2024, a QuantumScape começou a entregar protótipos Alpha-2 aos clientes.
Potência sólida
Antecedentes da empresa: John Van Scoter é o Diretor Executivo e Presidente desde junho de 2023. A Solid Power tem parcerias com a BMW e a Ford e está sediada em Louisville, Colorado.
Tecnologia: A Solid Power centra-se na tecnologia de sulfureto, alimentada pelo seu eletrólito sólido patenteado à base de sulfureto. O material do cátodo é o NMC, e a empresa tem duas tecnologias de baterias que utilizam materiais de ânodo diferentes: uma com elevado teor de silício e outra com lítio metálico.
Vantagens: O componente-chave da Solid Power é o seu eletrólito sólido à base de sulfureto, que proporciona uma combinação óptima de condutividade, capacidade de fabrico e desempenho de nível de bateria.
Últimos progressos: Em 16 de janeiro de 2024, a Solid Power assinou um novo acordo com a SK para aprofundar a sua parceria.
Dyson (Sakti3)
Antecedentes da empresa (Dyson): A Dyson é uma empresa tecnológica britânica especializada em produtos para o lar, com uma equipa de invenção de 1200 cientistas e engenheiros. A Dyson iniciou o seu programa interno de baterias há mais de uma década.
Antecedentes da empresa (Sakti3): Em 2015, a Sakti3 foi adquirida pela Dyson Ltd. A Sakti3 foi co-fundada em 2007 pela Dra. Ann Marie Sastry, pelo Dr. Chia-Wei Wang e pelo Dr. Fabio Albano como um spin-out da Universidade de Michigan.
Tecnologia: Sakti3 utiliza a tecnologia de deposição de película fina, tipicamente utilizada em células solares fotovoltaicas. As suas baterias de estado sólido não têm electrólitos líquidos, utilizando em vez disso uma estrutura "sanduíche" para assegurar uma transmissão normal de iões.
Vantagens: A Dyson revelou que as baterias de estado sólido Sakti3 podem atingir uma densidade de energia ultra-elevada de 550 Wh/kg, quase duplicando a densidade de energia máxima de 300 Wh/kg das baterias de lítio ternárias.
Últimos progressos: Em 16 de junho de 2023, a Dyson anunciou planos para abrir uma fábrica avançada de baterias da próxima geração em Singapura.
Toyota
Antecedentes da empresa: A Toyota tem trabalhado no desenvolvimento de baterias de estado sólido desde 2006, concentrando-se na tecnologia de sulfureto. Detém mais de 1300 patentes de baterias de estado sólido e está sediada em Tóquio, no Japão.
Tecnologia: As informações divulgadas pela Toyota indicam uma aposta na tecnologia de sulfureto.
Vantagens: A Toyota detém 1331 patentes relacionadas com baterias de estado sólido, abrangendo a estrutura da bateria, aplicações de materiais e processos de fabrico, o que a torna a empresa com mais patentes relacionadas a nível mundial. A empresa planeia iniciar a produção comercial entre 2026 e 2027.
Últimos progressos: Em 13 de junho de 2024, a Toyota anunciou um avanço tecnológico que responde ao desafio de longa data da durabilidade das baterias.
Ampcera
Antecedentes da empresa: A Ampcera está sediada em Silicon Valley, Califórnia, e foi fundada em 2017. O diretor executivo é o Dr. Sumin Zhu.
Tecnologia: A tecnologia ASSB da Ampcera inclui materiais de eletrólito sólido de sulfureto protegidos por IP, concebidos para um carregamento ultrarrápido. Utilizam cátodos NMC de elevada capacidade e ânodos à base de silício para atingir uma densidade de energia alvo de 400 Wh/kg.
Vantagens: A tecnologia de baterias de estado sólido (ASSB) da Ampcera conseguiu um carregamento rápido do estado de carga (SOC) de 0 a 80% em 15 minutos a uma taxa C de pico de 4C.
Últimos progressos: Em 25 de fevereiro de 2024, a tecnologia de bateria de estado sólido da Ampcera ultrapassou o objetivo de carregamento rápido extremo do DOE dos EUA de 80% de carga em 15 minutos.
Samsung SDI
Antecedentes da empresa: A Samsung SDI está sediada em Yongin, Gyeonggi-do, Coreia do Sul, e o diretor executivo é Yoon Ho Choi.
Tecnologia: A empresa centra-se em electrólitos de sulfureto, utilizando um ânodo composto Ag-C sem excesso de lítio. A camada de Ag-C regula eficazmente a deposição de lítio, conseguindo uma longa duração do ciclo eletroquímico.
Vantagens: A tecnologia de bateria de estado sólido Super-Gap da Samsung SDI tem uma densidade de energia de 900 Wh/L, cerca de 40% superior à das actuais baterias de iões de lítio. A empresa afirma ter a capacidade de carregar uma célula prismática de 8% a 80% em 9 minutos. A produção em massa está planeada para 2026.
Últimos progressos: Em março de 2024, a Samsung SDI anunciou planos para iniciar a produção em massa de baterias de estado sólido para veículos eléctricos e outras aplicações até 2027.
Fabricantes chineses
Os fabricantes chineses de baterias são mais discretos, mas sabe-se que BYD e CATL estão a desenvolver baterias de estado sólido. A nível mundial, existem 20.798 pedidos de patentes de tecnologias-chave para baterias de estado sólido, sendo a China responsável por 7640, ou 36,7%. Nos últimos cinco anos, a taxa de crescimento anual da China nos pedidos de patentes de baterias de estado sólido foi de 20,8%, a mais elevada do mundo.
Opiniões de outros líderes do sector sobre as pilhas de estado sólido
Desafios das baterias de estado sólido
Custo elevado
No caso da via do sulfureto, o custo dos electrólitos sólidos de sulfureto é atualmente superior a $195 por quilograma, muito superior aos $50 por quilograma necessários para a comercialização. Este problema decorre do elevado custo do sulfureto de lítio (não inferior a $650 por quilograma) necessário para sintetizar electrólitos sólidos de sulfureto. Além disso, os materiais de elevado desempenho (como as cerâmicas de elevada pureza) e os complexos processos de fabrico utilizados nas baterias de estado sólido tornam os seus custos significativamente mais elevados do que os das baterias de iões de lítio tradicionais.
Dificuldades de produção
Se for utilizada a via do eletrólito sólido de sulfureto, a produção é um desafio devido à tendência do eletrólito para reagir com a humidade e o oxigénio. Para tal, é necessário um ambiente de produção altamente controlado, idealmente numa câmara selada cheia de gás inerte.
Baixa condutividade iónica
Nas baterias de estado sólido, a interface de contacto entre o elétrodo e o eletrólito muda de contacto sólido-líquido para contacto sólido-sólido. Em comparação com os electrólitos líquidos, a área de contacto entre os sólidos é menor, o que resulta numa maior resistência interfacial. Além disso, os electrólitos sólidos contêm muitos limites de grão, que têm frequentemente uma resistência mais elevada do que o material a granel, dificultando o transporte de iões de lítio entre os eléctrodos e afectando negativamente o desempenho do carregamento rápido e a duração do ciclo.
Ciclo de vida fraco
O contacto sólido-sólido nas baterias de estado sólido é mais rígido, o que o torna mais sensível às alterações de volume nos materiais dos eléctrodos. Durante o ciclo, isto pode levar a um mau contacto entre as partículas do elétrodo e entre as partículas do elétrodo e o eletrólitocausando a acumulação de tensões, a degradação do desempenho eletroquímico e até fissuras, o que pode diminuir rapidamente a capacidade e conduzir a um ciclo de vida pobre.
Quando é que as baterias de estado sólido estarão disponíveis?
A partir de julho de 2024, não existem baterias de estado sólido verdadeiramente disponíveis no mercado. Os fabricantes de automóveis chineses que afirmam utilizar baterias de estado sólido estão, na realidade, a utilizar baterias de estado semi-sólido com um conteúdo líquido reduzido. À semelhança das baterias de lítio, que demoraram décadas a passar do início tecnológico para a utilização generalizada, muitos especialistas acreditam que as baterias de estado sólido requerem períodos ainda mais longos para validação e avanços tecnológicos.
No entanto, a espera pode não ser indefinida. O potencial significativo das baterias de estado sólido estimulou uma intensa concorrência, acelerando o progresso neste domínio. Muitos fabricantes apontam 2027 como o ano de comercialização das baterias de estado sólido. Vamos manter-nos atentos aos desenvolvimentos à medida que a indústria avança para este objetivo ambicioso.
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