Três novas tecnologias empolgantes prometem baterias melhores e mais baratas

Duas chaminés de aço e concreto de 500 pés pairam sobre a antiga usina de energia no porto de Moss Landing, Califórnia. Elas lançam uma sombra incongruente sobre a idílica comunidade costeira, que conta com garças-brancas, buffleheads, patos-reais e lontras-marinhas entre suas atrações turísticas.

A instalação de energia em expansão de onde saem os canos está passando por uma mega-reforma. É um dos quatro gigantescos projetos de armazenamento de íons de lítio sendo desenvolvidos pela maior concessionária de serviços públicos da Califórnia, a Pacific Gas and Electric (PG&E).

Se os reguladores estaduais aprovarem o projeto, o pitoresco Moss Landing poderá ser o local do maior projeto de bateria de íons de lítio do mundo até o momento.

Os proponentes alegam que a instalação — juntamente com os outros três projetos que a PG&E quer que os reguladores aprovem — poderia equilibrar a energia eólica e solar flutuante na rede da Califórnia, eliminando assim a necessidade de geradores de carga base, a carvão e a gás!

Novas tecnologias mantendo a esperança viva…

O armazenamento prático de energia é crucial para o sucesso de qualquer esforço para tornar a energia renovável uma fonte de eletricidade convencional. À medida que mais energia eólica e solar entra em operação, as concessionárias precisarão armazenar energia para atender à demanda quando não houver vento ou o sol não estiver brilhando.

É aí que instalações como as de Moss Landing devem entrar. A PG&E diz que seus quatro projetos de íons de lítio podem adicionar capacidade de armazenamento suficiente à rede para abastecer mais de 400.000 residências.

Mas há um porém nesse cenário otimista.

O íon de lítio falha no teste…

Há anos, especialistas dos EUA alegam que os sistemas de íons de lítio ainda são muito caros para aplicações que exigem armazenamento de longo prazo. Isso porque muitas formas da bateria dependem de materiais difíceis de obter, como cobalto e níquel.

Talvez ainda pior, os sistemas de armazenamento de íons de lítio demonstraram no passado uma tendência perturbadora de explodir em chamas.

Na verdade, um número crescente de especialistas em baterias desistiu completamente dos sistemas de íons de lítio em larga escala. Muitos se resignaram à esperança de que algo melhor surgirá, mesmo quando as consequências das mudanças climáticas se tornarem mais aparentes.

No momento, três tecnologias interessantes estão mantendo essa esperança viva.

1/ Tecnologia de bateria de água do mar da IBM

A gigante da tecnologia IBM anunciou recentemente uma nova bateria para EVs, dispositivos de consumo e armazenamento em rede elétrica. A empresa diz que sua bateria pode ser construída a partir de minerais e compostos comuns encontrados na água do mar.

A IBM Research afirma que a bateria não é inflamável e é capaz de recarregar 80% de sua capacidade em cinco minutos.

Young-hye Na, gerente de inovação de materiais da divisão de baterias da IBM Research, diz que a IBM está trabalhando com a Mercedes Benz e a empresa japonesa Central Glass para refinar o eletrólito da bateria. A Sidus, uma startup de baterias do Vale do Silício, fará os testes.

A IBM não revelou informações técnicas sobre a química, configuração ou design de sua bateria. A reticência da empresa se tornou uma fonte de frustração para muitos observadores da indústria, mas especialistas dizem que suas especificações publicadas são “assombrosas”.

A empresa ainda pode precisar desenvolver técnicas de extração para coletar as quantidades necessárias de substâncias dissolvidas do oceano para a bateria, diz Na. Esses materiais podem incluir magnésio, potássio, boro, estrôncio e flúor.

“A extração de materiais da água do mar ainda seria mais ecologicamente correta em comparação aos impactos ambientais da mineração terrestre”, diz Na.

2/ Startup busca retorno ao lítio-metal

Enquanto isso, em Bothell, Washington, engenheiros e executivos da empresa de armazenamento de energia, XNRGI, estão buscando trazer o antecessor da bateria de íons de lítio, o lítio metálico, de volta ao mercado.

A startup desenvolveu a primeira tecnologia de bateria recarregável de lítio-metal baseada em chip de silício.

A empresa afirma que o desempenho da bateria é exponencialmente mais eficiente do que qualquer outra bateria de lítio.

Projetos anteriores de baterias de lítio-metal provaram ser muito difíceis de comercializar. O lítio é altamente reativo, e o dissulfeto de titânio que os fabricantes anteriores usavam para o cátodo era caro.

A equipe de P&D da XNRGI conseguiu amordaçar a reatividade do lítio metálico. A empresa diz que atingiu esse objetivo depositando-o em um substrato de silício revestido com filmes finos e gravado com milhões de células minúsculas.

O substrato 3D aumenta muito a área de superfície do ânodo em comparação com o ânodo bidimensional de um íon de lítio tradicional.

“Estamos tomando medidas comprovadas de fabricação de chips e aplicando-as a esta bateria”, diz o CEO da XNRGI, Chris D’Couto. “Estamos pegando algo de uma indústria e aplicando em outra indústria. Não estamos inventando nada nessa frente.”

A empresa planeja iniciar a produção comercial limitada de suas baterias de lítio-metal para envio a clientes de veículos elétricos e eletrônicos de consumo ainda este ano.

‘Exponencialmente mais potente’ deve significar menos baterias e isso resultará em veículos mais leves e eficientes. Mas as oportunidades não param por aí…

No ano passado, a XNRGI assinou um acordo para formar uma joint venture com a startup canadense Cross Border Power, para vender e distribuir suas baterias para clientes de serviços públicos na América do Norte, de acordo com a IEEE Spectrum. Talvez a PG&E seja seu primeiro grande cliente?

3/ Pesquisadores afirmam avanço no lítio-enxofre

Enquanto isso, do outro lado do oceano, em terras muito, muito distantes, acontece talvez o acontecimento mais emocionante de todos.

Pesquisadores da Austrália, Bélgica e Alemanha desenvolveram um novo design para baterias de lítio-enxofre. Eles alegam que sua bateria poderia – em teoria – armazenar seis vezes mais energia do que os sistemas de íons de lítio.

Dadas as enormes possibilidades, cientistas e engenheiros têm pesquisado o potencial das baterias de lítio-enxofre por alguns anos. Mas, até agora, tais baterias têm sido impraticáveis.

A alta capacidade de armazenamento das baterias de lítio-enxofre significa que o eletrodo incha até quase o dobro de tamanho quando totalmente carregado.

O ciclo de inchaço e encolhimento conforme a bateria carrega e descarrega leva a uma perda progressiva de coesão das partículas. As baterias literalmente se quebram sob estresse.

A pesquisadora da Universidade Monash, Mahdokht Shaibani, e seus colegas dizem que seu projeto permite que baterias de lítio-enxofre sejam carregadas e descarregadas centenas de vezes sem quebrar.

O método convencional de produção de baterias cria uma rede densa e contínua de ligante na maior parte do eletrodo, deixando pouco espaço livre para movimento, explica Shaibani.

“Para garantir que nossas baterias seriam fáceis e baratas de fabricar, usamos o mesmo material como aglutinante, mas o processamos de forma um pouco diferente”, escreve Shaibani em um artigo para The Conversation. “O resultado é uma rede de aglutinante semelhante a uma teia que mantém as partículas unidas, mas também deixa bastante espaço para o material se expandir.”

Shaibani diz que os eletrodos tolerantes à expansão podem acomodar com eficiência as tensões cíclicas, permitindo que as partículas de enxofre atinjam sua capacidade total de armazenamento de energia.

“Esperamos ter um produto comercial pronto nos próximos dois a quatro anos”, diz ela, acrescentando que ela e seus colegas estão trabalhando com parceiros da indústria para ampliar a inovação.

A necessidade de uma mudança radical

A tecnologia de armazenamento de baterias de hoje funciona melhor em uma função restrita. A maioria atua como um substituto para usinas de energia de “pico”, de acordo com uma análise de 2016 feita por pesquisadores do MIT e do Argonne National Lab. Essas são pequenas instalações, geralmente alimentadas por gás natural.

A tecnologia de íons de lítio não só é cara demais para essa função, como a duração inadequada da bateria limita sua capacidade de preencher lacunas durante os meses em que a geração eólica e solar diminui.

Claro, armazenamento em rede mais barato e melhor é possível. Pesquisadores estão explorando vigorosamente possibilidades, mesmo que os velhos defensores dos combustíveis fósseis resistam ao progresso. A usina de energia de Moss Landing sozinha deve ser suficiente como prova de esforços sérios de pesquisa e desenvolvimento.

Mas o medo subjacente é que as forças de mercado e a política não estejam agindo rápido o suficiente para incentivar a comercialização de novas tecnologias.

Esse é um problema urgente, dado o ritmo em que precisamos reduzir as emissões para evitar as maiores ameaças das mudanças climáticas.

Uma mudança radical e abrangente é necessária, e isso não acontece com frequência em um setor de energia profundamente arraigado na política e no capitalismo da velha escola.

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