Aqui está uma prévia do futuro próximo da tecnologia de baterias

Quando o coronel Brent Wilson se tornou comandante da base em Camp Smith, em Oahu, já tinha sido destacado para as guerras do Golfo e do Iraque e liderado numerosas operações de defesa no Kosovo. Mas o inimigo que enfrentou na base havaiana era diferente de qualquer outro que vira no campo de batalha como piloto de helicóptero do Corpo de Fuzileiros Navais. Ele teve que enfrentar uma infraestrutura energética envelhecida, regularmente pisoteada pelo clima tropical.

“Toda a rede elétrica caía rotineiramente e nos tirava do mercado”, explica Wilson que, na época, também fazia parte da equipe responsável pelas operações de defesa em todo o Pacífico. “Você realmente não pode ter isso.”

Mas a batalha contra as más infra-estruturas também teve um aliado subutilizado: a luz solar. Wilson iniciou uma campanha para instalar painéis solares e baterias industriais que poderiam manter as partes vitais da operação on-line quando ocorressem tempestades. Essa experiência acabou ajudando-o a iniciar uma segunda carreira: vender baterias grandes o suficiente para alimentar sua casa fora da rede elétrica.

O boom da bateria

O mercado de baterias cresceu nas últimas décadas e deverá aumentar mais 12% nos próximos cinco anos, de acordo com Inteligência Mordor. Em 2025, será um mercado de US$ 90 bilhões. Ao longo da última década, empresas como Tesla, Dyson e Daimler fizeram investimentos de milhares de milhões de dólares na indústria, quer adquirindo empresas mais pequenas, quer construindo novas fábricas. Se aquela cena clássica de O graduado foram filmados hoje, o conselho de carreira de uma palavra dado ao personagem de Dustin Hoffman não seria “plásticos”, mas sim “baterias”.

O que impulsionará todo esse crescimento? O preço das baterias de íons de lítio diminui, os eletrônicos pessoais e os carros elétricos circulando por elas, e, entre outros fatores, mais proprietários de residências e empresas de energia que desejam armazenar energia solar e eólica energia.

Junto com esse crescimento vem muito desperdício. Infelizmente, a maioria das baterias acaba em aterros sanitários. As taxas de reciclagem de células de íons de lítio são terríveis: cerca de 5% para os Estados Unidos e a União Europeia. Os investigadores estão a encontrar formas de tornar as baterias de iões de lítio mais recicláveis, mas mesmo que isso aconteça, ainda precisamos de mudar os hábitos de pessoas e empresas que não reciclam baterias e as descartam jogando-as no lixo lixo.

Além disso, alguns especialistas dizem que há uma quantidade limitada de lítio disponível, embora a quantidade limitada seja motivo de debate. A mineração dele e do cobalto (que é comumente usado para o eletrodo positivo de uma bateria de íons de lítio) tem um alto impacto ambiental e custo humano. Além disso, o preço do cobalto aumentou notavelmente nos últimos anos.

Tudo isso levanta a questão: existem baterias mais baratas e mais ecológicas por aí? Poderíamos estar usando algo melhor? O que o futuro guarda?

Muita gente está pesquisando possibilidades. Desde a década de 1990, mais de 300.000 patentes relacionadas a baterias foram arquivados (mais de 30.000 somente em 2017). Embora uma grande porcentagem dessas invenções esteja relacionada à tecnologia de íons de lítio, muito trabalho está sendo feito em eletrólito de estado sólido, ânodo à base de silício, ar-lítio, grafeno e outras opções, algumas das quais são ecológicas e outras que não são ambientalmente melhores que o íon-lítio, mas possivelmente mais eficiente.

Embora a maioria destes novos tipos de baterias provavelmente não sejam comercializados tão amplamente como as de iões de lítio (pelo menos nas próximas décadas), podem servir nichos de mercado realmente grandes. Aqui estão alguns dos mais populares.

Fosfato de ferro-lítio

Logo depois do coronel Wilson se aposentou do serviço militar, executivos de uma empresa de painéis solares pediram que ele analisasse seus anos de aquisição de armazenamento de energia conhecimento (os militares são um dos maiores usuários de baterias do mundo), faça uma viagem à CES em Las Vegas e pesquise a safra atual de produtos domésticos baterias. Após a viagem, ele criou uma planilha gigante para explicar por que estava insatisfeito com as opções que viu. As melhores baterias eram caras demais para o proprietário médio (mais de US$ 30.000) ou não tinham energia suficiente. Ele então trabalhou com NeoVolta para criar uma linha de baterias, que normalmente custam na casa dos dois dígitos.

Os químicos preocupados com o meio ambiente dirão rapidamente que fosfato de ferro-lítio o armazenamento de energia é apenas outro tipo de bateria de íon de lítio, embora com algumas vantagens notáveis: é mais barata, tem energia mais densa, vida mais longa e não pegará fogo se o interior se romper (o que pode acontecer com íons de lítio baterias). As desvantagens? É extremamente pesado (é por isso que é melhor se estiver na varanda dos fundos e não no telefone), o case ainda contém lítio e o caminho de reciclagem não é claro.

Como tal, poucos adotaram baterias de fosfato de ferro-lítio, tornando difícil saber quão boa é a sua taxa de reciclagem. Alguns pesquisadores afirmam que é mais fácil dividi-los em partes componentes.

Enxofre de lítio

Alguns especialistas estão apostando no armazenamento de energia de lítio-enxofre para substituir o íon-lítio, uma vez que as baterias tendem a ser mais leves e com maior densidade energética. O enxofre também é abundante e mais barato.

Qual é a diferença entre o funcionamento das baterias de íon-lítio e de lítio-enxofre? Professora Linda Nazar, cujo laboratório na Universidade de Waterloo, no Canadá, estuda baterias de lítio-enxofre nos últimos 10 anos, usa uma analogia de estacionamento para descrever as diferenças. Enquanto carregar e descarregar uma bateria de íons de lítio é como dirigir carros para dentro e para fora de um estacionamento, o bateria de lítio-enxofre está “quase destruindo toda a estrutura do estacionamento e depois reconstruindo-a quando você recarrega a célula."

A reação química é semelhante ao que acontece em uma bateria de chumbo-ácido, onde ocorre uma transformação estrutural e química completa. Estas baterias de “conversão” têm as suas próprias vantagens e desafios. “Eles têm a vantagem de poder armazenar mais elétrons”, diz Nazar. Por outro lado, o enxofre tem condutividade relativamente baixa e o volume das baterias muda após a descarga. A equipe do laboratório da Universidade de Waterloo está ajustando os componentes da bateria para aumentar o ciclo de vida e otimizar as reações da bateria. Se alguns dos desafios da bateria forem resolvidos, Nazar prevê que elas sejam usadas na aviação e também em drones. O Aviões Zéfiro e os UAVs, que realizaram alguns dos longos voos movidos a energia elétrica, muitas vezes dependem de baterias de lítio-enxofre.

Íon de sódio

Acontece que o elemento da tabela periódica que é tão ruim para o coração é muito bom para as baterias. A pesquisa em baterias de íon de sódio começou na década de 1970, mais ou menos na mesma época do armazenamento de energia de íon de lítio. Os dois elementos são vizinhos na tabela periódica. Então o íon-lítio decolou e o íon-sódio foi considerado um produto menos energético nas três décadas seguintes.

“Parece a melhor coisa que existe”, diz Nazar, cujo laboratório também trabalha com armazenamento de energia à base de sódio. “As baterias de íon de sódio oferecem a possibilidade de trabalhar com elementos abundantes na terra – eletrodos positivos feitos de coisas como ferro, manganês e titânio – elementos de custo muito mais baixo. Mas fazer com que essa química funcione bem é um desafio porque não é a mesma coisa que o lítio.”

Nazar observa que algumas empresas não acham que vale a pena investir em baterias de íon de sódio porque o custo das baterias de íon de lítio está caindo o tempo todo.

“Acho que provavelmente vale a pena investir muitos recursos em baterias de íon de sódio”, diz ela. “Se houver um momento a-ha em que as baterias de íons de sódio funcionem muito bem, com alta densidade de energia, isso seria um grande avanço.”

Açúcar

Acredite ou não, você pode usar uma bateria com açúcar como uma criança pulando em biscoitos de bolo. A Sony publicou pela primeira vez a pesquisa sobre a reação na qual a maltodextrina é oxidada para criar energia em 2007. Embora a disponibilidade de material e a compatibilidade ecológica das baterias de açúcar sejam muito maiores do que as de íons de lítio, a voltagem criada por sua reação química é notavelmente menor. Então, você provavelmente vai querer adiar a alimentação do seu Tesla com uma caixa de Crunchberries.

Embora o conceito original tenha aparecido pela primeira vez em 2007, o bateria de açúcar o conceito ainda tem um pouco de energia. Em 2016, uma equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts liderada pelo professor Michael Strano criou um dispositivo chamado Thermopower Wave, que é muito mais eficiente do que as versões anteriores de baterias de açúcar e pode alimentar um LED comercial luz. Este é um desenvolvimento entusiasmante porque o açúcar é altamente abundante, por isso, se conseguirmos descobrir uma forma viável de produzir estas baterias, poderemos presumivelmente expandir essa tecnologia rapidamente. Infelizmente, a disponibilidade comercial provavelmente levará vários anos.

Fluxo

Uma bateria de fluxo é estruturada de maneira diferente da maioria das outras: em vez de agrupar um monte de materiais reativos em uma unidade (como fazem as baterias normais), as baterias de fluxo armazenam líquidos reativos em recipientes separados e depois os bombeiam para dentro do sistema para criar energia. Eles também são enormes e projetados para armazenamento de energia na rede – não para eletrônicos e coisas que cabem confortavelmente na palma da sua mão.

O original bateria de fluxo supostamente pesava 1.000 libras e foi inventado no final do século 19 para alimentar o inteligentemente chamado dirigível francês “La France”. O interesse no armazenamento modular de energia aumentou e diminuiu desde então.

“Acho que o que realmente está provocando uma explosão e interesse em baterias de fluxo não é tanto fabricar a próxima geração de baterias para telefones ou computadores, mas armazenamento de energia em média e grande escala”, explica Timothy Cook, professor de química na Universidade de Búfalo. Portanto, a menos que você esteja construindo um celular steampunk, é improvável que carregue baterias de fluxo ativadas com bombas microscópicas. No entanto, à medida que mais residências instalam energia solar, o mercado de armazenamento de “energia personalizada” crescerá.

Embora tornar as baterias de íons de lítio mais potentes signifique aumentar o tamanho da bateria, o design das baterias de fluxo permite aumentar a energia aumentando o tamanho do líquido reservatórios. A San Diego Power and Electric instalou recentemente um que pode alimentar 1.000 casas.

“Você não precisa alterar nenhuma das dimensões da membrana [onde ocorre a reação química], basta fluir o maior volume de líquido através dele por mais tempo e você pode extrair essa energia”, explica Cozinhar. “Portanto, é muito mais fácil aumentar ou diminuir ou você pode basicamente personalizá-lo para a instalação.”

As baterias de fluxo também têm muito mais ciclos de carregamento do que a maioria das baterias. A capacidade de substituir os líquidos ou outras peças modulares significa que a vida útil potencial de uma bateria é quase indefinida.

Embora as empresas vendam atualmente baterias de fluxo de tamanho industrial, o professor Cook não espera uma aceitação generalizada nos próximos cinco a 10 anos. Ele até imagina um dia em que os carros elétricos poderão usar a tecnologia. Cook descreve um carro parando em um “posto de gasolina”, descarregando o eletrólito gasto e depois reabastecendo com um eletrólito recém-carregado. Em vez de esperar meia hora para o carro reiniciar, as rodas podem girar novamente em questão de minutos. Mas, é claro, esse futuro está no futuro.

Papel

Fazer uma bateria de papel tem muitas vantagens: é fina, flexível e, se fabricada com os materiais certos, é biodegradável. Uma equipe da Universidade de Stanford desenvolveu as primeiras baterias de papel revestindo folhas finas com tinta saturada de carbono e prata. Mais recentemente, os eco-heads ficaram entusiasmados com as baterias que estão sendo desenvolvidas na Universidade de Binghamton. O professor Seokheun “Sean” Choi fez algumas encarnações diferentes dele, incluindo uma alimentada por cuspe – ou mais cientificamente, saliva humana – e outra alimentada por bactérias. Uma encarnação recente da biobateria desenvolvida por Choi e pelo professor Omowunmi Sadik usa poli ácido (âmico) e poli (dianidrido piromelítico-p-fenilenodiamina) para formar as fontes de energia biodegradável.

“Nossa bateria híbrida de papel exibiu uma relação potência/custo muito maior do que todas as baterias microbianas baseadas em papel relatadas anteriormente”, disse Choi quando a inovação foi anunciado. Embora o uso comercial destas baterias de papel ecológicas tenha sido limitado devido ao seu baixo rendimento eléctrico (pode-se alimentar uma luz LED para cerca de 20 minutos), os pesquisadores esperam vê-los usados ​​em eletrônicos, dispositivos sem fio, aplicações médicas como marca-passos, aeronaves e automóveis. Choi escreveu um artigo sobre como utilizá-los como fontes de energia descartáveis ​​para ferramentas de diagnóstico no local de atendimento em países em desenvolvimento, onde as baterias podem não estar prontamente disponíveis.

Ar

O ar pode realmente ser elétrico, e não apenas naquele momento em que você abre o colarinho depois que uma música de Phil Collins sai dos alto-falantes da sua Ferrari. Baterias de zinco-ar, que têm aproximadamente o tamanho de balas Smarties e são alimentados pela reação entre o oxigênio e o zinco, têm sido usados ​​em aparelhos auditivos há muitos anos. O zinco também é barato e abundante, tornando a tecnologia económica e ecológica.

Mas existem limitações ao tentar tornar esta tecnologia recarregável. Cristais dendritos podem se formar durante o carregamento e causar curto-circuito na bateria. Foram testadas formas de substituir o zinco, como “recarregar mecanicamente” a bateria, substituindo fisicamente os materiais, uma abordagem que foi tentada nos autocarros eléctricos de Singapura. Numerosos outros experimentos foram tentados com baterias de ar-lítio e ar-metal com vários graus de densidade de energia, nível de potência e custo. Na última década, a Tesla registrou várias patentes relacionadas à cobrança baterias de lítio-ar, portanto, seu potencial pode existir muito além dos seus aparelhos auditivos.

Ferro

Há alguns anos, o professor de química da Universidade de Idaho, Peter Allen, começou a expressar seu fascínio pela ciência das baterias no YouTube. Quase imediatamente, ele descobriu que os espectadores realmente reagiam ao material da bateria, o que o inspirou a construir uma bateria recarregável de ferro como demonstração educacional. Esse projeto resultou em mais de 100 vídeos de demonstração explicando as etapas, os problemas e os aprendizados de um projeto de bateria educacional.

“Não quero me apresentar como um especialista em baterias per se”, reconhece o professor, cuja área de especialização é a química biológica. Ao fazer os vídeos do YouTube, ele percebeu que havia muito a ser ensinado e aprendido ao construir uma bateria relativamente barata do tipo “faça você mesmo”.

“Partes da tecnologia das baterias de ferro já existem há 100 anos, então acho que muitas pessoas que podem entrar nisso com muito conhecimento estrangeiro diria apenas: ‘Bem, isso é terreno pisado – não há nada para ser encontrado lá’”, diz ele. “Mas sendo um pouco ingênuo, entrei e disse: ‘Bem, vamos tentar, você pode encontrar algo interessante de qualquer maneira’”.

Depois de dois anos, mais de 30 variações de bateria e muita ajuda de estudantes de graduação, Allen aprendi como equilibrar os materiais líquidos e sólidos para criar uma quantidade ideal de densidade de energia, mas com baixa poder.

“Aí entramos nessa questão de: ‘Se você tem uma química que funciona, mas funciona devagar, como acelerá-la?’”

Mesmo que a equipe resolva esse desafio, a tecnologia atual determina que as melhores aplicações para uma bateria de ferro provavelmente serão unidade de armazenamento de energia de microrrede de bairro ou captura de energia de fazenda solar, dado o espaço necessário e a velocidade da energia enviada do unidade.

Quem ganhará?

A bateria de ferro de Allen algum dia será comercialmente viável? Ele não tem certeza de que as descobertas atuais de sua equipe, que foram publicadas em uma revista científica, os levarão até lá.

Depois de analisar inúmeras invenções de baterias, ele percebe que apenas algumas delas chegarão ao mercado. Na pesquisa científica, explica ele, existe um “vale da morte”.

“Você tem a pesquisa básica que resulta em algo muito legal”, diz ele. “Há uma questão de saber se isso pode ser comercializado. E não há dinheiro para fazer essa pergunta.” Os investigadores que encontrarem dinheiro suficiente para responder a essa pergunta inicial irão então, se tiverem sorte, encontrar investidores que queiram refinar e comercializar a ideia. “Mas há uma lacuna entre a pesquisa básica e o refinamento necessário para tornar comercial uma bateria.”

Em 2019, os capitalistas de risco afundaram US$ 1,7 bilhão em startups de baterias, sendo que 1,4 mil milhões serão destinados à investigação relacionada com iões de lítio. Mas baterias de fluxo, zinco-ar, metal líquido e muitas outras tecnologias também receberam cheques por escrito. Embora o armazenamento de energia de iões de lítio provavelmente domine o armazenamento de energia durante pelo menos mais 10 anos, muitos outros já parecem que conseguirão sair do vale da morte.

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