A necessidade urgente de reduzir as emissões de carbono está a impulsionar um rápido movimento no sentido da electrificação dos transportes e da expansão da implantação de energia solar e eólica na rede. Se estas tendências aumentarem conforme o esperado, a necessidade de melhores métodos de armazenamento de energia eléctrica irá intensificar-se.
Precisamos de todas as estratégias possíveis para enfrentar a ameaça das alterações climáticas, diz a Dra. Elsa Olivetti, professora associada de ciência e engenharia de materiais na Esther e Harold E. Edgerton. Claramente, o desenvolvimento de tecnologias de armazenamento em massa baseadas em redes é crucial. Mas para aplicações móveis - especialmente transportes - muitas pesquisas estão focadas em adaptar as atuaisbaterias de íon de lítiopara serem mais seguros, menores e capazes de armazenar mais energia para seu tamanho e peso.
As baterias convencionais de iões de lítio continuam a melhorar, mas as suas limitações permanecem, em parte devido à sua estrutura.As baterias de íons de lítio consistem em dois eletrodos, um positivo e um negativo, ensanduichados em um líquido orgânico (contendo carbono). Quando a bateria é carregada e descarregada, partículas (ou íons) carregadas de lítio passam de um eletrodo para outro através do eletrólito líquido.
Um problema com este projeto é que em certas tensões e temperaturas, o eletrólito líquido pode tornar-se volátil e pegar fogo. As baterias são geralmente seguras sob uso normal, mas o risco permanece, diz o Dr. Kevin Huang Ph.D.'15, cientista pesquisador do grupo de Olivetti.
Outro problema é que as baterias de íons de lítio não são adequadas para uso em automóveis. Baterias grandes e pesadas ocupam espaço, aumentam o peso total do veículo e reduzem a eficiência de combustível. Mas está a revelar-se difícil tornar as actuais baterias de iões de lítio mais pequenas e leves e, ao mesmo tempo, manter a sua densidade energética – a quantidade de energia armazenada por grama de peso.
Para resolver estes problemas, os investigadores estão a alterar as principais características das baterias de iões de lítio para criar uma versão totalmente sólida ou de estado sólido. Eles estão substituindo o eletrólito líquido intermediário por um eletrólito sólido e fino que é estável em uma ampla faixa de tensões e temperaturas. Com este eletrólito sólido, eles usaram um eletrodo positivo de alta capacidade e um eletrodo negativo de metal de lítio de alta capacidade que era muito menos espesso do que a camada de carbono porosa usual. Estas mudanças permitem uma célula global muito menor, mantendo a sua capacidade de armazenamento de energia, resultando numa maior densidade de energia.
Esses recursos - maior segurança e maior densidade de energia- são provavelmente os dois benefícios mais comumente elogiados das potenciais baterias de estado sólido, mas todas essas coisas são prospectivas e esperadas, e não necessariamente alcançáveis. No entanto, esta possibilidade faz com que muitos investigadores se esforcem para encontrar os materiais e designs que cumpram esta promessa.
Pensando além do laboratório
Os pesquisadores criaram uma série de cenários intrigantes que parecem promissores em laboratório. Mas Olivetti e Huang acreditam que, dada a urgência do desafio das alterações climáticas, considerações práticas adicionais podem ser importantes. Nós, pesquisadores, sempre temos métricas no laboratório para avaliar possíveis materiais e processos”, afirma Olivetti. Os exemplos podem incluir capacidade de armazenamento de energia e taxas de carga/descarga. Mas se o objetivo for a implementação, sugerimos adicionar métricas que abordem especificamente o potencial de expansão rápida.
Materiais e disponibilidade
No mundo dos eletrólitos inorgânicos sólidos, existem dois tipos principais de materiais - óxidos contendo oxigênio e sulfetos contendo enxofre. O tântalo é produzido como subproduto da mineração de estanho e nióbio. Dados históricos mostram que a produção de tântalo está mais próxima do máximo potencial do que a de germânio durante a mineração de estanho e nióbio. A disponibilidade de tântalo é, portanto, uma preocupação maior para o possível aumento de células baseadas em LLZO.
Porém, conhecer a disponibilidade de um elemento no solo não resolve os passos necessários para colocá-lo nas mãos dos fabricantes. Os investigadores investigaram, portanto, uma questão subsequente sobre a cadeia de abastecimento de elementos-chave - mineração, processamento, refinação, transporte, etc. demanda por baterias?
Numa análise de amostra, analisaram quanto a cadeia de abastecimento de germânio e tântalo precisaria de crescer ano após ano para fornecer baterias para a frota de veículos eléctricos projectada para 2030. Por exemplo, uma frota de veículos eléctricos, frequentemente citada como meta para 2030, necessitaria de produzir baterias suficientes para fornecer um total de 100 gigawatts-hora de energia. Para atingir este objetivo, utilizando apenas baterias LGPS, a cadeia de abastecimento de germânio teria de crescer 50% ano após ano - um exagero, já que a taxa máxima de crescimento foi de cerca de 7% no passado. Utilizando apenas células LLZO, a cadeia de abastecimento de tântalo precisaria de crescer cerca de 30% – uma taxa de crescimento bem acima do máximo histórico de cerca de 10%.
Estes exemplos mostram a importância de considerar a disponibilidade de materiais e a cadeia de abastecimento ao avaliar o potencial de aumento de escala de diferentes eletrólitos sólidos, diz Huang: Mesmo que a quantidade de um material não seja um problema, como no caso do germânio, o aumento de todos as etapas da cadeia de abastecimento para corresponder à produção de futuros veículos eléctricos podem exigir uma taxa de crescimento praticamente sem precedentes.
Materiais e processamento
Outro fator a considerar ao avaliar o potencial de escalabilidade de um projeto de bateria é a dificuldade do processo de fabricação e o impacto que pode ter no custo. Há inevitavelmente muitas etapas envolvidas na fabricação de uma bateria de estado sólido, e a falha em qualquer etapa aumenta o custo de cada célula produzida com sucesso.
Como proxy para a dificuldade de fabricação, Olivetti, Ceder e Huang exploraram o impacto da taxa de falhas no custo total de projetos selecionados de baterias de estado sólido em seu banco de dados. Num exemplo, eles se concentraram no óxido LLZO. LLZO é muito frágil e folhas grandes, finas o suficiente para serem usadas em baterias de estado sólido de alto desempenho, podem rachar ou deformar nas altas temperaturas envolvidas no processo de fabricação.
Para determinar as implicações de custos de tais falhas, eles simularam as quatro principais etapas de processamento envolvidas na montagem das células LLZO. Em cada etapa, eles calcularam o custo com base em um rendimento presumido, ou seja, a proporção do total de células que foram processadas com sucesso e sem falhas. Para o LLZO, o rendimento foi muito menor do que para os outros projetos estudados; além disso, à medida que o rendimento diminuiu, o custo por quilowatt-hora (kWh) da energia celular aumentou significativamente. Por exemplo, quando mais 5% de células foram adicionadas à etapa final de aquecimento do cátodo, o custo aumentou cerca de US$ 30/kWh - uma mudança insignificante considerando que o custo-alvo geralmente aceito para tais células é de US$ 100/kWh. Claramente, as dificuldades de fabricação podem ter um impacto profundo na viabilidade da adoção em larga escala do projeto.
Horário da postagem: 09/09/2022