Quer se trate de um telefone, laptop, carro ou qualquer outro dispositivo portátil, a maneira como trabalhamos e vivemos não seria possível sem baterias de íons de lítio (Li-ion). A primeira bateria comercial de iões de lítio foi utilizada em 1991 e esta invenção recebeu o Prémio Nobel da Química de 2019 pelo impacto que teve no panorama tecnológico da sociedade moderna. A procura por baterias de iões de lítio tem crescido desde a sua invenção, mas nos últimos anos aumentou exponencialmente devido a um maior foco na sustentabilidade e na redução das emissões de CO2.
A bateria de íon-lítio tornou-se o padrão da indústria para muitas aplicações devido à sua maior densidade de energia, vida útil mais longa e melhor custo-benefício em comparação com alternativas, ou seja, baterias alcalinas, de chumbo-ácido ou de níquel-hidreto metálico. As baterias de íon-lítio normalmente vêm com um preço inicial mais alto; no entanto, a sua natureza mais pequena, mais leve e mais duradoura resulta, em última análise, numa maior relação custo-eficácia ao longo da sua vida útil, tornando-os uma opção mais económica.
O potencial futuro das baterias de íons de lítio
O futuro das baterias à base de lítio é brilhante, com muitas aplicações e usos impactantes. No entanto, ainda existem limitações significativas presentes no seu design atual que impedem o seu pleno potencial. Muitas equipas de investigação em todo o mundo estão a abordar diligentemente estes constrangimentos com o objectivo de os ultrapassar, permitindo que as baterias de iões de lítio realizem todo o seu potencial e evoluam para uma escolha genuinamente sustentável para a geração e armazenamento de energia.
Uma das principais questões associadas às fontes de energia renováveis, e uma das maiores vantagens dos combustíveis de carbono, é a capacidade de geração de energia sob demanda. As fontes de energia renováveis, como a solar e a eólica, são poderosas, mas quando o vento diminui ou a noite cai, a capacidade de gerar energia é limitada. Isto não invalida a fonte de energia; isso significa que o armazenamento eficiente de energia se torna vital.
Independentemente do método pelo qual a energia é gerada, ela deve ser armazenada para aplicações onde a geração sob demanda não é possível. Esta é a tecnologia de armazenamento em escala de rede, projetada para se conectar a uma rede elétrica e armazenar e liberar energia sob demanda. A tecnologia prospectiva mais escalável para esta aplicação são as baterias, esperando-se que a bateria de íons de lítio seja a mais amplamente utilizada devido à sua maior densidade de energia e maior vida útil em comparação com tecnologias alternativas de bateria. A maior vantagem do armazenamento de bateria em escala de rede é a escalabilidade, com pouca ou nenhuma restrição quanto ao tamanho e localização de um sistema.
O transporte marítimo é uma vasta indústria global, que foi avaliada em 2,2 biliões de dólares em 2021 e deverá atingir 4,2 biliões de dólares em 2031. A electrificação de navios de carga apresenta uma imensa oportunidade para reduzir as emissões globais de CO2, uma vez que estes navios são movidos por enormes motores diesel. -motores de queima que consomem de 20 a 250 toneladas de combustível por dia, dependendo do tamanho e da velocidade do navio.
Em 2021, o primeiro navio cargueiro totalmente elétrico e autônomo do mundo, o Yara Birkeland, partiu em sua viagem inaugural e deverá causar impacto na indústria naval. O Yara Birkeland é alimentado por 20 baterias de íon-lítio com capacidade combinada de 6,8 MWh, que é aproximadamente a capacidade combinada da bateria de 70 carros Tesla Model-S. As baterias do Yara Birkeland são equipadas com um sistema de refrigeração líquida, que inclui uma placa de refrigeração a água integrada em um gabinete livre de poeira e resistente à água. Este sistema de resfriamento a água desempenha um papel crucial na manutenção da temperatura ideal das células, garantindo sua operação consistente e confiável ao longo de uma vida útil de pelo menos 10 anos.
Embora menor e mais caro do que outros navios de carga não elétricos, estima-se que o Yara Birkeland substitua 40.000 viagens de caminhões movidos a diesel na Noruega a cada ano e reduza as despesas operacionais (OpEx) da empresa-mãe, Yara, em impressionantes 90%. por cento. Se as estimativas iniciais se confirmarem, isto marcará uma tentadora redução de custos para as empresas em todo o mundo e poderá marcar uma mudança significativa em direcção à descarbonização.
Pesquisas de ponta abordam limitações
Uma das limitações mais significativas que dificultam a adoção de baterias de íon-lítio para aplicações onde o peso e o tamanho são fatores importantes (por exemplo, carros e aeronaves) é a densidade de energia. A densidade de energia de uma bateria pode ser expressa em função do peso (densidade de energia gravimétrica, W·h/kg) ou do volume (densidade de energia volumétrica, W·h/L). Uma bateria com maior densidade de energia gravimétrica pesará menos, mas será capaz de armazenar mais energia. Da mesma forma, uma bateria com maior densidade volumétrica de energia será menor, mas novamente capaz de armazenar mais energia.
Embora o aumento da densidade energética seja um objetivo comum entre todas as aplicações de baterias, é uma das questões mais prementes para o futuro das aeronaves totalmente elétricas. As baterias de íon-lítio têm a maior densidade de energia de todas as baterias comerciais, mas ainda devem haver melhorias significativas para torná-las aplicáveis ​​a novas aplicações. A densidade energética das baterias comerciais de íons de lítio aumentou dramaticamente desde a sua introdução na década de 90, de 90 W·h/kg para quase 300 W·h/kg nas baterias atuais. No entanto, isto ainda está muito longe da densidade energética dos combustíveis de carbono, que pode ser até 50 vezes superior. Para ter uma produção de energia semelhante, as baterias pesarão significativamente mais e ocuparão muito mais espaço do que o combustível de carbono.
Uma segunda limitação significativa enfrentada pelas baterias de íon-lítio é a segurança. Não é preciso procurar muito para encontrar uma notícia detalhando um caso de incêndio ou explosão causado por baterias danificadas em dispositivos pessoais. As baterias de íon-lítio são bastante estáveis ​​em condições normais de operação e têm ciclos de vida longos para muitas aplicações. Infelizmente, tal como acontece com muitas tecnologias diferentes (incluindo combustíveis de carbono), o ambiente exterior, como a temperatura e o impacto físico, pode causar problemas significativos, o que acaba por resultar num incêndio ou explosão. Estas ocorrências já perigosas só se tornam mais problemáticas em escalas maiores, como em automóveis, aeronaves ou armazenamento em escala de rede.
Uma terceira limitação notável que as baterias de íons de lítio estão começando a enfrentar é a sua vida útil projetada. Para muitas aplicações, a vida útil atual estimada de oito a 10 anos de operação ideal é mais que suficiente; por exemplo, veículos pessoais e dispositivos móveis. O problema reside nas aplicações a longo prazo, tais como o armazenamento à escala da rede, que têm uma escala totalmente diferente, e a viabilidade de substituir essas baterias a cada 10 anos é operacionalmente problemática e tem um custo proibitivo.
A segurança do estado sólido
Num esforço colaborativo com parceiros da indústria, os investigadores estão a trabalhar ativamente para resolver as limitações das baterias de iões de lítio, com foco principal no aumento da densidade energética, segurança e vida útil. Um artigo publicado em fevereiro de 2023 a partir de um esforço conjunto de pesquisa liderado por Mohammad Asadi, PhD, do Instituto de Tecnologia de Illinois e Larry A. Curtiss, PhD, do Laboratório Nacional de Argonne, descreveu um estado sólido de lítio-ar (Li -ar) bateria. A nova bateria Li-air da equipe de pesquisa faz avanços substanciais tanto em segurança quanto em densidade de energia, fazendo uso de um eletrólito sólido no lugar do eletrólito líquido mais típico das células de íon-lítio. O uso de um eletrólito sólido se traduz em um aumento dramático na segurança, pois o eletrólito líquido das baterias comuns de íons de lítio é inflamável e quando superaquecido pode pegar fogo, o que pode resultar em uma explosão se houver pressão suficiente dentro do invólucro da bateria.
Além disso, essas baterias de ar-lítio têm o potencial de aumentar a densidade de energia em até quatro vezes a de uma bateria de íon-lítio normal, de até 1.200 W·h/kg contra aproximadamente 300 W·h/kg, respectivamente. Finalmente, onde as células Li-air anteriores sofreram com uma vida útil curta, a equipa de investigação indicou que isto não era uma deficiência para o novo design. A equipe indicou que uma célula de teste foi operada por 1.000 ciclos, o que representa uma vida útil estimada de três anos, e espera-se que isso aumente apenas com futuras iterações.
Este novo design de bateria representa uma enorme conquista em direção a uma maior densidade energética e segurança, o que, por sua vez, pode abrir caminho para aumentos substanciais na autonomia de automóveis, camiões de longo curso e até aeronaves totalmente elétricas. Além disso, a bateria de estado sólido não possui os mesmos riscos de inflamabilidade e explosão das baterias típicas de íons de lítio com eletrólitos líquidos.
Uma bateria de 100 anos
Na primavera de 2022, o grupo canadense de pesquisa de baterias avançadas da Tesla, em parceria com a Universidade de Dalhousie e liderado por Jeffery Dahn, PhD, publicou um novo artigo descrevendo o potencial das baterias de lítio com vida útil dramaticamente aumentada. Neste artigo, eles apresentam uma bateria de íon-lítio à base de níquel/cobalto de baixa tensão que foi projetada para durar até 100 anos. Em comparação com as baterias comerciais de íon-lítio à base de ferro mais comuns, isso equivale a um aumento de quase 10 vezes na vida útil da bateria. Além disso, a bateria à base de níquel/cobalto possui maior densidade volumétrica do que suas contrapartes à base de ferro, indicando um maior potencial de armazenamento de energia. Porém, como a bateria utiliza materiais mais caros (níquel e cobalto), o custo inicial é maior do que as baterias que utilizam ferro mais barato e abundante. Embora o custo inicial mais elevado possa representar um desafio em certas aplicações, como dispositivos móveis e veículos eléctricos económicos, vale a pena notar que designs semelhantes de baterias à base de níquel/cobalto encontraram sucesso comercial nos modelos de veículos premium da Tesla, e como baterias de longo alcance. complemento para modelos inferiores. Isso se deve ao aumento da densidade de energia, proporcionando autonomias de condução mais longas – um recurso pelo qual muitos clientes estão dispostos a pagar um valor extra.
Permitir uma operação eficiente em uma tensão mais baixa aumenta muito a vida útil da bateria e em aplicações de ciclo de vida imenso, como armazenamento em escala de rede, o custo inicial pode ser compensado pelo aumento maciço da vida útil. Ter que substituir as baterias uma vez a cada 100 anos, em vez de a cada 10 anos, é um fator significativo para o custo geral de um projeto. Certamente, à medida que a tecnologia e os esforços de reciclagem melhoram, a diferença de custo inicial entre as baterias à base de níquel/cobalto e as baterias à base de ferro só deverá diminuir.
As baterias de iões de lítio desempenham um papel fundamental em muitos setores e possuem um imenso potencial para continuar a transformar o panorama tecnológico dos transportes e da geração e armazenamento de energia. Os avanços discutidos nas baterias de íon-lítio ressaltam sua importância na alimentação de uma ampla variedade de tecnologias. Estas inovações oferecem soluções promissoras para enfrentar as limitações atuais e futuras e impulsionar a sustentabilidade.