Tecnologia de bateria de estado sólido para carros elétricos: desafios à frente

A frase "o que está sob o capô" está rapidamente se tornando obsoleta. Para carros movidos a combustão interna, o motor costuma ser o fator mais importante no desempenho geral do carro. Mas hoje, com os EVs vindo à tona, essa questão é discutível - e não apenas porque o que geralmente está sob o capô é uma variedade de componentes não tradicionais e talvez um pouco de armazenamento.

Para os consumidores de hoje que estão pensando em comprar um VE, o componente mais importante é a bateria. Hoje, todos os veículos elétricos do mercado de massa dependem de baterias de íon-lítio para alimentar os motores elétricos que os fazem funcionar. (Embora a química às vezes seja diferente, o lítio continua sendo o elemento-chave.) Essas baterias são grandes e pesadas, geralmente ocupando todo o piso do carro; alguns até devoram partes do porta-malas e do túnel de transmissão também.

As baterias de hoje também são sensíveis a temperaturas extremas, ainda carregam lentamente em relação ao abastecimento de gás, degradam com o tempo e podem se transformar em infernos terrivelmente intensos. Embora o design da bateria de íon-lítio tenha melhorado muito nos últimos anos (tornando células individuais muito menos explosivas), sua estrutura fundamental significa que o fogo sempre será um risco.

Mas há um novo tipo de bateria em desenvolvimento que pode revolucionar o desempenho dos VEs, resultando em mochilas que oferecem mais energia com peso reduzido e menor risco de explosão. Elas são chamadas de baterias de estado sólido e, embora tenham muito potencial, ainda há uma série de obstáculos a serem superados antes de chegarem ao mercado.

Para entender o que torna as baterias de estado sólido diferentes, teremos que ser um pouco técnicos. Então aperte os cintos, mas vamos tentar manter essa luz.

Quase todas as baterias, incluindo as baterias de íon de lítio tradicionais e as baterias de estado sólido (que também usam íon de lítio como sua química principal), compartilham a mesma arquitetura básica. De um lado está o cátodo, que serve como terminal positivo durante a descarga. Do outro lado fica o ânodo, que é o terminal negativo. O que acontece internamente varia dependendo do tipo de bateria, mas em geral uma reação faz com que os elétrons fluam de um lado para o outro, criando um circuito e alimentando seu telefone, relógio, carro ou qualquer outra coisa.

As baterias de íon-lítio em seu smartphone ou EV são projetadas para serem as menores possíveis, de modo que o ânodo e o cátodo são colocados um ao lado do outro, às vezes até enrolados um ao outro no caso de baterias cilíndricas. Deixar esses dois componentes se tocarem causaria um curto-circuito, o que é uma péssima notícia. Então, para manter as coisas separadas, uma membrana chamada separador é colocada no meio. Geralmente é um filme plástico fino.

Mas, para que a bateria funcione, os íons precisam fluir do ânodo para o cátodo, ou vice-versa, dependendo se a bateria está fornecendo energia ou sendo recarregada. Como você os faz fluir através de um separador de plástico? Você usa uma solução de eletrólito líquido e certifique-se de que o separador seja poroso o suficiente para permitir que ele flua.

Em uma bateria de estado sólido, é conceitualmente a mesma estrutura básica: ânodo e cátodo com um separador no meio. No entanto, neste caso, o separador é o eletrólito, um material sólido, muitas vezes cerâmico, que permite o fluxo de íons diretamente.

Parece uma pequena mudança, mas tem implicações enormes – tanto positivas quanto negativas. Antes de examinarmos os desafios, vamos analisar algumas vantagens do estado sólido.

A densidade de energia de uma bateria é quanta eletricidade real ela pode produzir para um determinado peso ou volume. Isso é fundamental porque uma bateria com maior densidade significa menos peso, o que pode realmente aumentar o alcance de um EV, mesmo que a saída elétrica da bateria permaneça a mesma.

"Conforme você avança em direção às baterias de estado sólido, a razão pela qual elas são tão úteis e a razão pela qual você obtém esse benefício de desempenho superior delas é que elas permitem o uso de ânodos de densidade de energia mais alta", disse Rory McNulty, co-autor do relatório de baterias de metal de lítio e estado sólido da Benchmark Mineral Intelligence. McNulty diz que esse aumento pode significar baterias três vezes mais densas em energia do que as atuais células de íon-lítio.