Tendências Tecnológicas
Bateria de íon-sódio: a nova tendência para o futuro dos veículos elétricos
Julho 19, 2021
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Fundo
custo da bateria de veículo elétrico
Por que os veículos elétricos precisam de baterias melhores?
Os veículos elétricos, especialmente aqueles que utilizam energia renovável para gerar eletricidade, são vistos como o modelo do futuro que ajudará na proteção climática global. Mas, durante anos, as montadoras utilizaram lítio, um metal raro e relativamente caro, na tecnologia de baterias, o que tem retardado o ritmo de adoção em massa de veículos elétricos em todo o mundo.
Embora os carros elétricos, os veículos comerciais e as bicicletas elétricas estejam em plena expansão, seu uso ainda é limitado. Os altos preços, as instalações de carregamento complexas e o processo de produção de baterias que consome grandes quantidades de matérias-primas estão dificultando o rápido desenvolvimento dos veículos elétricos.
Para que os veículos elétricos estejam amplamente disponíveis, os fabricantes de automóveis precisam introduzir baterias mais potentes, duráveis, sustentáveis e acessíveis.
Sódio em vez de lítio
Comparação de materiais
Sódio em vez de lítio
As baterias de íon-sódio podem ser uma opção viável, e os recentes avanços nessa área têm sido surpreendentemente promissores. Num futuro próximo, as baterias de íon-sódio poderão substituir as baterias de lítio usadas em veículos elétricos, smartphones ou notebooks.
O lítio e o sódio, dois metais alcalinos, possuem propriedades químicas muito semelhantes. Embora o sódio tenha uma densidade energética menor em comparação com o lítio, que é mais raro, ele é mais fácil de obter e relativamente barato.
Avanços promissores
Progresso do protótipo
Avanços promissores
O desempenho das baterias de íon-sódio ainda está cerca de 20 anos atrás do das baterias de lítio. Isso ocorre porque, na última década, os pesquisadores se concentraram apenas no desenvolvimento do desempenho superior das baterias de lítio.
Hoje, existem não apenas publicações científicas inovadoras, mas também protótipos muito visionários. De acordo com um relatório publicado em maio, uma bateria de íon-sódio desenvolvida na Coreia do Sul passou por cerca de 500 ciclos completos de carga antes de sua capacidade cair para 80% da capacidade original.
Outra bateria, desenvolvida por uma equipe de pesquisa sino-americana, consegue completar cerca de 450 recargas com a mesma capacidade. Uma bateria de íon-sódio fabricada na China tem uma capacidade menor, mas, após 1200 recargas rápidas de 12 minutos, ainda conserva 70% da sua capacidade.
Pode não parecer muito, mas na prática essas baterias podem suportar um número maior de recargas, pois normalmente não são recarregadas após serem descarregadas completamente no dia a dia. Descarregar e recarregar a bateria completamente no experimento causa um desgaste maior.
O lítio, um elemento metálico, é mais raro e caro, mas a maioria das baterias atuais utiliza baterias de lítio. A figura original mostra os principais países em termos de reservas de lítio em 2019.
Além disso, a tecnologia de íons de sódio não exige o uso de recursos escassos. Sais de lítio raros não são necessários para a fabricação de cátodos, pois o sal de cozinha é suficiente. Ânodos de alto desempenho podem ser feitos de linhita, madeira e outras biomassas. Cobalto ou outras substâncias raras semelhantes não são necessárias no processo de produção.
Pesquisa básica
Grafeno e íons de sódio
Um avanço na pesquisa básica?
O sódio tem duas desvantagens: pesa três vezes mais que o lítio, portanto, mesmo que as baterias de lítio contenham menos de 5% do peso total da bateria, uma bateria com íons de sódio ainda pesaria mais do que uma bateria de lítio.
Além disso, o desempenho das baterias de sódio é inferior. Como os íons de sódio transportam 0,3 volts a menos que as baterias de lítio, há uma perda inevitável de cerca de 10% da densidade de energia. Mais importante ainda, os ânodos de grafite das baterias atuais não permitem a presença de sódio suficiente.
Segundo um relatório publicado por um grupo de trabalho germano-russo liderado pelo Centro Helmholtz de Pesquisa Científica (HZDR) em Dresden, Alemanha, o nanocarbono pode ajudar a solucionar esse problema. O relatório observa que o uso de um material de carbono ultrafino, o grafeno bicamada, pode armazenar mais íons de sódio no ânodo do que o grafite.
Se, no futuro, os eletrodos de grafeno puderem ser instalados em baterias de lítio, substituindo os ânodos de grafite comumente usados hoje em dia, poderá ser possível aumentar significativamente a capacidade da bateria.
Krasheninkov, um físico do HZDR, comparou isso a colocar uma pequena bola entre duas folhas de papel: continue adicionando pequenas bolas entre as folhas, e elas serão empurradas para mais longe umas das outras, aumentando o espaço entre elas.
Tecnologia compatível
Estrutura multicamadas
Uma tecnologia compatível?
Se uma estrutura multicamadas funciona para baterias de lítio, será que também se aplica a outros metais alcalinos, como o sódio? Uma equipe de pesquisadores de Dresden, Stuttgart e Moscou espera descobrir isso usando simulações sofisticadas em supercomputadores.
Como os protótipos de baterias de íon-sódio até agora não funcionaram bem porque o sódio mal consegue entrar no ânodo de grafite, cálculos computacionais mostram que o sódio, assim como o lítio, pode ser incorporado entre camadas de grafeno em uma estrutura multicamadas.
No futuro, se eletrodos de grafeno forem instalados em baterias de íon-sódio em vez dos ânodos de grafite atuais, uma capacidade de armazenamento maior poderá ser alcançada.
Os resultados desses estudos podem representar um avanço no desenvolvimento de baterias de sódio de baixo custo. Krasheninkov afirmou que o trabalho é puramente teórico e não defende o desenvolvimento de uma nova geração de baterias em um futuro próximo com base apenas nos resultados do estudo, mas pode fornecer novas ideias interessantes para engenheiros.
Baterias do futuro
Perspectivas futuras
Baterias do Futuro
Felizmente, a bateria de íon-sódio deixou de ser apenas um conceito teórico. Um avanço nas tecnologias relacionadas parece estar próximo.
As descobertas mais recentes mostram que já existem alternativas práticas, acessíveis e com uso eficiente de recursos para as caras baterias de lítio, e que estas podem até mesmo melhorar seu desempenho por meio de estruturas multicamadas.
Certamente levará algum tempo até que a tecnologia de baterias de íon-sódio esteja pronta para produção em massa e uso em veículos elétricos ou celulares. Mas, quando chegar a hora, não deverá haver muitos problemas na transição da linha de produção de baterias de lítio para baterias de íon-sódio, pois a tecnologia é relativamente similar.
