Se os veículos elétricos alguma vez suplantarem totalmente os que bebem gás nas estradas do mundo, eles vão precisar de um tipo de bateria totalmente novo. Apesar das constantes melhorias na última década na densidade de energia e na vida útil das baterias de iões de lítio, as células dos novos EVs ainda ficam atrás dos motores de combustão interna em praticamente todas as métricas de desempenho. A maioria dos VE tem um alcance de menos de 300 milhas, leva mais de uma hora para recarregar suas baterias, as células perdem quase um terço de sua capacidade dentro de uma década e representam um sério risco de segurança devido a seus materiais inflamáveis.
A solução para estes problemas é conhecida há décadas: Chama-se bateria de estado sólido, e baseia-se numa ideia enganosamente simples. Em vez de um eletrólito líquido convencional – o material que transporta íons de lítio entre os eletrodos – ele usa um eloctrólito sólido. Além disso, o terminal negativo da bateria, chamado seu ânodo, é feito de puro metal de lítio. Esta combinação enviaria a sua densidade de energia através do telhado, permitiria um carregamento ultra-rápido e eliminaria o risco de incêndios da bateria. Mas nos últimos 40 anos, ninguém foi capaz de fazer uma bateria de estado sólido que cumprisse essa promessa – até o início deste ano, quando uma inicialização secreta chamada QuantumScape alegou ter resolvido o problema. Agora ele tem os dados para provar isso.
Na terça-feira, pela primeira vez, o co-fundador e CEO do QuantumScape, Jagdeep Singh, revelou publicamente os resultados dos testes da bateria de estado sólido da empresa. Singh diz que a bateria resolveu todos os principais desafios que atormentaram as baterias de estado sólido no passado, como a vida útil incrivelmente curta e a taxa de carga lenta. De acordo com dados do QuantumScape, sua célula pode carregar até 80% da capacidade em 15 minutos, retém mais de 80% de sua capacidade após 800 ciclos de carga, não é combustível e tem uma densidade volumétrica de energia de mais de 1.000 watt-hora por litro no nível da célula, o que é quase o dobro da densidade de energia das células de íons de lítio comerciais de prateleira superior.
“Pensamos que somos os primeiros a resolver o estado sólido”, disse Singh ao WIRED antes do anúncio. “Nenhum outro sistema de estado sólido se aproxima disso.”
A célula de bateria do QuantumScape tem o tamanho e a espessura de uma carta de jogo. Seu cátodo, ou terminal positivo, é feito de óxido de níquel manganês cobalto, ou NMC, uma química comum em baterias EV hoje em dia. Seu eletrodo negativo, ou anodo, é feito de puro lítio metálico – mas é mais preciso dizer que ele não tem anodo algum, já que é fabricado sem um. Quando a bateria descarrega durante o uso, todo o lítio flui do ânodo para o cátodo. A vacância deixada no ânodo lateral – mais fino que um cabelo humano – é temporariamente comprimida como um acordeão. O processo inverte-se quando a bateria é carregada e os íons de lítio inundam novamente o espaço do ânodo.
“Este design sem ânodo é importante porque provavelmente é a única maneira de fabricar baterias de lítio-metal hoje em dia com instalações de fabricação atuais”, diz Venkat Viswanathan, um engenheiro mecânico que trabalha com baterias de lítio-metal na Carnegie Mellon University e consultor técnico da QuantumScape. “Sem ânodo tem sido um grande desafio para a comunidade”
Mas a chave para a descoberta do estado sólido do QuantumScape é o separador de cerâmica flexível que fica entre o cátodo e o ânodo. Este é o material que coloca o “sólido” em estado sólido. Como o eletrólito líquido que fica entre os eletrodos de uma célula convencional, sua principal função é transportar íons de lítio de um terminal para o outro quando a bateria carrega e descarrega. A diferença é que o separador sólido também atua como uma barreira que mantém os dendritos de lítio – tendrilhos metálicos que se formam nos ânodos de lítio metálico durante os ciclos de carga – de serpentear entre os eletrodos e causar um curto-circuito.
Venkat Srinivasan, o diretor do Centro Colaborativo Argonne de Ciência de Armazenamento de Energia, passou quase uma década pesquisando baterias de estado sólido no laboratório nacional fora de Chicago. Ele diz que encontrar um material separador que permita que os íons de lítio fluam livremente entre os eletrodos enquanto bloqueia os dendritos tem sido, de longe, o maior desafio. Tipicamente, os pesquisadores têm usado ou um polímero plastificado ou uma cerâmica dura. Embora os polímeros sejam o material separador de escolha em baterias de electrólitos líquidos, eles são inadequados para células de estado sólido porque não bloqueiam os dendritos. E a maioria das cerâmicas usadas para baterias experimentais de estado sólido tem sido muito frágil para durar mais de algumas dezenas de ciclos de carga.
“Estes dendritos são como a raiz de uma árvore”, diz Srinivasan, que não estava envolvido no trabalho do QuantumScape. “O problema que estamos tentando resolver é, como impedir mecanicamente que este sistema radicular cresça com algo sólido? Você não pode simplesmente colocar o que quiser, porque você tem que alimentar iões para frente e para trás. Se você não fizer isso, não há bateria”
As baterias de íons de lítio são sistemas complexos, e a razão para a sua melhoria lenta ao longo dos anos é que o ajuste de uma parte de uma célula muitas vezes tem efeitos em cascata que alteram o seu desempenho de formas imprevistas. Para construir uma bateria melhor, os pesquisadores têm que investigar sistematicamente diferentes materiais até encontrarem algo que funcione, o que pode ser uma tarefa incrivelmente demorada. Singh diz que o QuantumScape levou 10 anos e 300 milhões de dólares em R&D antes de a empresa discar para um separador de estado sólido que se encaixasse na conta. Ele não revelaria o que é feito dele – esse é o molho secreto da empresa – mas ele diz que o material é barato e prontamente disponível. “Não tínhamos uma revelação divina que dizia: ‘Este material vai funcionar, vai construí-lo'”, diz Singh. “Tivemos de passar por um monte de becos sem saída. Mas a natureza forneceu um material que atende aos requisitos e, felizmente, através do nosso processo de busca sistemática, conseguimos encontrá-lo.”
Singh diz que a bateria do QuantumScape é o tipo de mudança de desempenho que vai empurrar os EVs para o mainstream. Ele não é o único que pensa assim. A empresa conta com Bill Gates e Vinod Khosla entre seus investidores, e vários barões da bateria, como o cofundador da Tesla J. B. Straubel, fazem parte de seu conselho de administração. Um dos maiores apoiadores da empresa é a Volkswagen, a maior fabricante de carros do mundo, que já lavrou mais de 300 milhões de dólares no QuantumScape e planeja começar a usar as células de estado sólido em alguns de seus próprios EVs assim que 2025.
QuantumScape e VW não são as únicas empresas no jogo de baterias de estado sólido, é claro. A Toyota também está desenvolvendo uma célula de estado sólido, que as autoridades da empresa planejavam revelar nos Jogos Olímpicos de Tóquio este ano, antes de ser adiada devido à pandemia. Tal como a VW, a Toyota planeia ter as suas baterias de estado sólido na estrada até 2025. Mas no início deste ano, Keiji Kaita, vice-presidente da divisão Powertrain da Toyota, disse à publicação do setor Automotive News que a empresa ainda precisava melhorar a vida útil limitada da bateria. Os representantes da Toyota não retornaram o pedido de comentários da WIRED.
Uma inicialização de seis anos chamada Solid Power também fez uma célula de estado sólido funcional e começou a produzir baterias protótipo com 10 camadas empilhadas em uma planta piloto no Colorado. Como o QuantumScape, essas células têm um ânodo lítio-metal e um eletrólito de estado sólido de cerâmica. O eletrólito da Solid Power é à base de sulfeto, uma química desejável para baterias de estado sólido devido à sua alta condutividade e compatibilidade com os processos de fabricação existentes. A empresa tem parcerias com vários fabricantes de automóveis, incluindo Ford, BMW e Hyundai, embora seus executivos não esperem ver suas células na estrada antes de 2026, devido ao longo processo de qualificação automotiva. A Solid Power ainda não divulgou dados sobre sua célula, mas espera-se que a empresa revele uma célula maior e publique seus dados de desempenho pela primeira vez nesta quinta-feira.
“O cenário competitivo das baterias de estado sólido está ficando cada vez mais lotado devido ao enorme potencial que as baterias de estado sólido têm em permitir a eletrificação do veículo”, diz Doug Campbell, CEO da Solid Power. “Isso acaba levando aos EVs com maior alcance, maior confiabilidade e menor custo”
Os dados de desempenho do QuantumScape são impressionantes, mas vêm com uma importante ressalva. Todos os dados de teste foram gerados em células individuais que, tecnicamente falando, não são baterias completas. A célula fina revelada pelo QuantumScape está destinada a ser empilhada junto com cerca de 100 outras para formar uma célula completa do tamanho de um baralho de cartas. Alimentar um EV vai exigir centenas dessas pilhas, mas até agora a empresa ainda não testou uma pilha completamente empilhada.
Escalar uma pilha de uma subunidade de uma única pilha para uma pilha completa e eventualmente para uma pilha completa pode criar muitos problemas, diz Srinivasan. Quando as baterias são feitas em pequenos lotes, diz ele, é mais fácil eliminar os defeitos que surgem durante o processo de produção. Mas quando se começa a fabricar baterias em escala, pode ser difícil controlar os defeitos, o que pode rapidamente prejudicar o desempenho de uma bateria. “Embora um material possa parecer realmente promissor em pequena escala, no aumento da escala esses defeitos podem se tornar um problema maior”, diz Srinivasan. “A operação no mundo real é muito diferente da operação em escala de laboratório”
Jeff Sakamoto, um engenheiro mecânico focado no armazenamento de energia na Universidade de Michigan que não estava envolvido com o QuantumScape, concorda. Ele diz que ainda há lacunas significativas de conhecimento sobre as propriedades mecânicas fundamentais das baterias de lítio-metal sólido, o que poderia criar problemas quando se trata de comercializar a tecnologia. Ele aponta o primeiro jato comercial de passageiros do mundo, o malfadado De Havilland Comet, como um exemplo das consequências do lançamento de uma tecnologia antes que suas propriedades materiais sejam completamente compreendidas. Pouco depois do Cometa ter ido para os céus, sofreu várias rupturas catastróficas no ar porque os engenheiros não compreenderam completamente o processo de degradação dos metais utilizados no seu casco. Enquanto os riscos são um pouco menores para as células de estado sólido do que para os jatos comerciais – as baterias são, afinal, projetadas para ser ultra-som – uma bateria que vai ao mercado e experimenta problemas inesperados de desempenho pode retardar a eletrificação do transporte.
“Estou surpreso com o pouco que se sabe sobre o comportamento mecânico do lítio metálico e como a física do lítio afeta a viabilidade das baterias de estado sólido”, diz Sakamoto. “Não sei até que ponto essas lacunas de conhecimento afetarão a adoção generalizada de baterias de lítio-metal de estado sólido”. Mas quanto mais soubermos sobre o comportamento fundamental, melhor será a transição para a adoção em larga escala”
Singh é inabalável pelos desafios que o QuantumScape deve enfrentar antes que suas baterias o façam sair do laboratório e entrar em um carro”. No que diz respeito a ele, a empresa resolveu os difíceis problemas de ciência básica que impediram a comercialização de uma bateria de estado sólido. “Eu não quero banalizar o trabalho que resta”, diz Singh. “Mas não é uma questão de saber se isto vai funcionar ou não. É uma questão de engenharia”
Este ano, a QuantumScape abriu ao público através de uma empresa especial de aquisições e adicionou cerca de 700 milhões de dólares ao seu já considerável balanço”. Singh diz que a empresa agora tem mais de US$ 1 bilhão em seu baú de guerra, o que é mais do que suficiente para levá-la para a produção. Parece impossível que a empresa possa falhar, mas isso também é o que os investidores pensaram sobre a A123 Systems e a Envia Systems, duas empresas que arrecadaram enormes quantias de dinheiro de fabricantes de automóveis legados com a promessa de um jogo de mudança de massa de EV – apenas para vir abaixo quando o desempenho de suas células não corresponderam às expectativas. O QuantumScape pode muito bem se tornar a primeira inicialização a fornecer uma bateria de estado sólido comercial, mas a empresa ainda tem um longo caminho pela frente.
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