Novo vigor para os carros elétricos

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postado em 29/06/2020 06:00 / atualizado em 07/08/2020 12:21

Ter uma bateria que concilie estabilidade, alto desempenho e capacidade de armazenamento de energia é um dos principais empecilhos para o avanço de carros elétricos. Cientistas da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, desenvolvem um dispositivo com potencial para unir essas características e abrir caminho para a próxima geração de veículos movidos a bateria. A solução tecnológica leva o nome de  FDMB e também chama a atenção pela facilidade na sua fabricação.

Yi Cui, professor de ciência e engenharia de materiais e ciência de fótons no Laboratório Nacional de Aceleração da universidade estadunidense, lista outras vantagens do dispositivo em desenvolvimento. “A maioria dos carros elétricos funciona com baterias de íon de lítio, que estão se aproximando rapidamente de seu limite teórico de densidade de energia. A gente se concentrou em baterias de metal de lítio, que são mais leves e podem, potencialmente, fornecer mais energia por unidade de peso e volume”, detalha o coautor do estudo, apresentado na edição deste mês da revista Nature Energy.

A diferença entre as baterias pode resolver um impasse antigo dessa área: a instabilidade dos dendritos. Usadas em eletrônicos diversos, de celulares a carros elétricos, as baterias de íon de lítio têm dois eletrodos: um cátodo com carga positiva contendo lítio e um ânodo com carga negativa, geralmente feito de grafite. Uma solução eletrolítica permite que os íons de lítio se desloquem entre o ânodo e o cátodo quando a bateria é usada ou recarregada. Em baterias como a desenvolvida pela equipe de Stanford, o grafite do  ânodo é substituído por metal de lítio. Com essa troca, o dispositivo pode armazenar cerca de duas vezes mais eletricidade por quilograma.

Apesar da vantagem, há um problema quanto à segurança, explica Zhenan Bao, coautor do estudo. “As baterias de metal de lítio são muito promissoras para veículos elétricos, onde peso e volume são uma grande preocupação. Mas, durante a operação, o ânodo de metal de lítio reage com o eletrólito líquido. Isso causa o crescimento de microestruturas de lítio chamadas dendritos na superfície do ânodo, o que pode fazer com que a bateria pegue fogo e falhe”, detalha o professor na Escola de Engenharia de Stanford.

Segundo Zhiao Yu, para vencer o “calcanhar de Aquiles” das baterias de metal de lítio, ele e a equipe usaram química orgânica para projetar dendritos mais estáveis. No trabalho, recorreram a um eletrólito líquido comum, disponível nos mercados. “Levantamos a hipótese de que a adição de átomos de flúor na molécula de eletrólito tornaria o líquido mais estável. O flúor é um elemento amplamente usado em eletrólitos para baterias de lítio. Exploramos sua capacidade de atrair elétrons para criar uma molécula que permite que o ânodo do metal de lítio funcione bem no eletrólito”, conta o estudante de graduação em química e coautor do estudo.

Eficiência de carga

O resultado foi um composto sintético, o FDMB, que pode ser facilmente produzido a granel. O novo eletrólito foi testado em uma bateria de metal de lítio, e os primeiros resultados surpreenderam. A bateria experimental reteve mais de 90% de sua carga inicial após 420 ciclos de carga e descarga. Em testes laboratoriais semelhantes, baterias típicas de metal de lítio param de funcionar após, em média, 30 ciclos.

Os pesquisadores também mediram com que eficiência os íons de lítio eram transferidos entre o ânodo e o cátodo durante o carregamento e o descarregamento, uma propriedade conhecida como eficiência de carga. Idealmente, ao usar 1.000 íons de lítio, espera-se que, com a recarga, tenha-se novamente 1.000. “Para ser comercialmente viável, uma célula de bateria precisa de uma eficiência  Em nosso estudo, obtivemos 99,52% na meia célula e 99,98% nas células cheias. Um desempenho incrível”, comemora Yi Cui.



Para o possível uso em eletrônicos de consumo, a equipe de Stanford testou o eletrólito FDMB em células de bolsa de metal de lítio sem ânodo — baterias comercialmente disponíveis com cátodos que fornecem lítio ao ânodo. O sistema consiste em usar apenas o lítio no lado do cátodo, para reduzir o peso do dispositivo. “A bateria sem ânodo executou 100 ciclos antes de sua capacidade cair para 80%. Não é tão boa quanto uma bateria equivalente de íon de lítio, que pode durar de 500 a 1.000 ciclos, mas ainda é uma das células sem ânodo com melhor desempenho”, contextualiza Zhenan Bao. Segundo o cientista, os resultados são promissores para uma ampla gama de dispositivos. “Baterias leves e sem ânodos serão um recurso atraente para drones e muitos outros produtos eletrônicos de consumo”, ilustra.

Plano de triplicar a eletricidade

A bateria desenvolvida pela equipe da Universidade de Stanford faz parte de um grande consórcio desenvolvido pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos para a criação de veículos elétricos mais leves e capazes de percorrer distâncias mais longas. Chamado Battery500, o projeto sustenta que, ao melhorar ânodos, eletrólitos e outros componentes, será possível triplicar a quantidade de eletricidade que uma bateria de metal de lítio pode fornecer.

Quando o programa começou, em 2016, havia opções com, em média, 180 watts-hora por quilograma. “A bateria sem ânodos em nosso laboratório atingiu cerca de 325 watts-hora por quilograma de energia específica, um número respeitável. Nosso próximo passo pode ser trabalhar em colaboração com outros pesquisadores do Battery500 para construir células que atinjam a meta do consórcio, de 500 watts-hora por quilograma”, afirma Yi Cui, professor do Laboratório Nacional de Aceleração da universidade estadunidense.

Também participante do estudo, Zhenan Bao ressalta que os projetos de criação de eletrólitos estão ficando “muito exóticos”, com preços que podem inviabilizar o desenvolvimento da tecnologia em larga escala. “A molécula de FDMB é fácil de fabricar em grande quantidade e bastante barata”, compara. Para ele, o trabalho desenvolvido também abre caminhos para novas formas de investigação. “Nosso estudo basicamente fornece um princípio de design que as pessoas podem aplicar para obter melhores eletrólitos. Acabamos de mostrar um exemplo, mas existem muitas outras possibilidades”, incentiva Bao.