Projetando Melhores Baterias para Veículos Elétricos

A necessidade urgente de cortar as emissões de carbono está levando a um rápido movimento em direção à mobilidade eletrificada e à expansão da implantação de energia solar e eólica na rede elétrica. Se essas tendências aumentarem conforme o esperado, a necessidade de melhores métodos de armazenamento de energia elétrica se intensificará.

Obviamente, o desenvolvimento de tecnologias para armazenamento baseado em grade em grande escala é crítico. Mas para aplicativos móveis - em particular, transporte - muitas pesquisas estão se concentrando na adaptação da bateria de íon-lítio de hoje para fazer versões que são mais seguras, menores e podem armazenar mais energia para seu tamanho e peso.

As baterias de íon de lítio tradicionais continuam a melhorar, mas têm limitações que persistem, em parte por causa de sua estrutura. Uma bateria de íon de lítio consiste em dois eletrodos - um positivo e um negativo - ensanduichados em torno de um líquido orgânico (contendo carbono). Conforme a bateria é carregada e descarregada, partículas eletricamente carregadas (ou íons) de lítio passam de um eletrodo para o outro através do eletrólito líquido.

Um problema com esse projeto é que, em certas tensões e temperaturas, o eletrólito líquido pode se tornar volátil e pegar fogo. As baterias geralmente são seguras sob uso normal, mas o risco ainda existe.

Outro problema é que as baterias de íon-lítio não são adequadas para uso em veículos. Baterias grandes e pesadas ocupam espaço e aumentam o peso geral do veículo, reduzindo a eficiência do combustível. Mas está sendo difícil tornar as baterias de íon de lítio de hoje menores e mais leves, mantendo sua densidade de energia, ou seja, a quantidade de energia que armazenam por grama de peso.

Para resolver esses problemas, os pesquisadores estão mudando os principais recursos da bateria de íon de lítio para fazer uma versão totalmente sólida ou de “estado sólido”. Eles substituem o eletrólito líquido no meio por um eletrólito sólido e fino que é estável em uma ampla gama de tensões e temperaturas. Com esse eletrólito sólido, eles usam um eletrodo positivo de alta capacidade e um eletrodo negativo de metal de lítio de alta capacidade que é muito mais fino do que a camada normal de carbono poroso. Essas mudanças tornam possível encolher consideravelmente a bateria geral, mantendo sua capacidade de armazenamento de energia, alcançando assim uma densidade de energia mais alta.

Esses recursos - segurança aprimorada e maior densidade de energia - são provavelmente as duas vantagens mais elogiadas de uma bateria de estado sólido potencial.

Com base na experiência da indústria com as baterias de íon-lítio atuais, os pesquisadores do MIT e seus colegas sugerem três questões amplas que podem ajudar a identificar possíveis restrições no aumento de escala futuro como resultado da seleção de materiais. Primeiro, com esse projeto de bateria, a disponibilidade de materiais, as cadeias de suprimentos ou a volatilidade dos preços podem se tornar um problema à medida que a produção aumenta? (Observe que as preocupações ambientais e outras levantadas pela mineração expandida estão fora do escopo deste estudo.) Em segundo lugar, a fabricação de baterias com esses materiais envolverá etapas de fabricação difíceis durante as quais as peças provavelmente falharão? E, em terceiro lugar, as medidas de fabricação necessárias para garantir um produto de alto desempenho baseado nesses materiais acabam diminuindo ou aumentando o custo das baterias produzidas?

Para demonstrar sua abordagem, Olivetti, Ceder e Huang examinaram algumas das químicas de eletrólitos e estruturas de bateria agora sendo investigadas por pesquisadores. Para selecionar seus exemplos, eles se voltaram para trabalhos anteriores em que eles e seus colaboradores usaram técnicas de mineração de texto e de dados para reunir informações sobre materiais e detalhes de processamento relatados na literatura. Nesse banco de dados, eles selecionaram algumas opções relatadas com frequência que representam uma gama de possibilidades.

Materiais e disponibilidade

No mundo dos eletrólitos inorgânicos sólidos, existem duas classes principais de materiais - os óxidos, que contêm oxigênio, e os sulfetos, que contêm enxofre.

O sulfeto que a equipe considerou foi o LGPS, que combina lítio, germânio, fósforo e enxofre. Com base nas considerações de disponibilidade, eles se concentraram no germânio, um elemento que levanta preocupações em parte porque geralmente não é extraído por conta própria. Em vez disso, é um subproduto produzido durante a mineração de carvão e zinco.

Para investigar sua disponibilidade, os pesquisadores analisaram quanto germânio foi produzido anualmente nas últimas seis décadas durante a mineração de carvão e zinco e, em seguida, quanto poderia ter sido produzido. O resultado sugeriu que 100 vezes mais germânio poderia ter sido produzido, mesmo nos últimos anos. Dado esse potencial de fornecimento, a disponibilidade de germânio não deve restringir o aumento de escala de uma bateria de estado sólido baseada em um eletrólito LGPS.

A situação parecia menos promissora com o óxido selecionado pelos pesquisadores, LLZO, que consiste em lítio, lantânio, zircônio e oxigênio. A extração e o processamento do lantânio estão amplamente concentrados na China e os dados disponíveis são limitados, então os pesquisadores não tentaram analisar sua disponibilidade. Os outros três elementos estão disponíveis em abundância. No entanto, na prática, uma pequena quantidade de outro elemento - chamado dopante - deve ser adicionada para tornar o LLZO fácil de processar. Assim, a equipe se concentrou no tântalo, o dopante usado com mais frequência, como o principal elemento de preocupação do LLZO.

O tântalo é produzido como um subproduto da mineração de estanho e nióbio. Dados históricos mostram que a quantidade de tântalo produzida durante a mineração de estanho e nióbio estava muito mais próxima do máximo potencial do que no caso do germânio. Portanto, a disponibilidade de tântalo é mais uma preocupação para o possível aumento de escala de uma bateria baseada em LLZO.

Mas saber a disponibilidade de um elemento no solo não aborda as etapas necessárias para levá-lo ao fabricante. Assim, os pesquisadores investigaram uma questão subsequente relativa às cadeias de abastecimento de elementos críticos - mineração, processamento, refino, transporte e assim por diante. Supondo que existam suprimentos abundantes, as cadeias de suprimentos que fornecem esses materiais podem se expandir com rapidez suficiente para atender à crescente demanda por baterias?

Em análises de amostra, eles observaram quanto as cadeias de abastecimento de germânio e tântalo precisariam crescer ano a ano para fornecer baterias para uma frota projetada de veículos elétricos em 2030. Por exemplo, uma frota de veículos elétricos frequentemente citada como uma meta para 2030 exigiria a produção de baterias suficientes para fornecer um total de 100 gigawatts-hora de energia. Para cumprir essa meta usando apenas baterias LGPS, a cadeia de abastecimento do germânio precisaria crescer 50% de ano para ano - um exagero, já que a taxa máxima de crescimento no passado era de cerca de 7%. Usando apenas baterias LLZO, a cadeia de abastecimento de tântalo precisaria crescer cerca de 30 por cento - uma taxa de crescimento bem acima da alta histórica de cerca de 10 por cento.

Esses exemplos demonstram a importância de considerar a disponibilidade de materiais e as cadeias de abastecimento ao avaliar diferentes eletrólitos sólidos para seu potencial de aumento de escala. Mesmo quando a quantidade de material disponível não é uma preocupação, como é o caso do germânio, dimensionando todas as etapas da cadeia de abastecimento para corresponder à produção futura de veículos elétricos pode exigir uma taxa de crescimento literalmente sem precedentes.

Materiais e processamento

Ao avaliar o potencial de aumento de escala do projeto de uma bateria, outro fator a considerar é a dificuldade do processo de fabricação e como ele pode impactar o custo. A fabricação de uma bateria de estado sólido envolve inevitavelmente muitas etapas, e uma falha em qualquer etapa aumenta o custo de cada bateria produzida com sucesso.

Como um substituto para a dificuldade de fabricação, os pesquisadores exploraram o impacto da taxa de falha no custo geral para projetos selecionados de bateria de estado sólido em seu banco de dados. Em um exemplo, eles se concentraram no óxido LLZO. O LLZO é extremamente frágil e, nas altas temperaturas envolvidas na fabricação, uma folha grande que é fina o suficiente para ser usada em uma bateria de estado sólido de alto desempenho pode rachar ou deformar.

Para determinar o impacto de tais falhas no custo, eles modelaram quatro etapas principais de processamento na montagem de baterias baseadas em LLZO. Em cada etapa, eles calcularam o custo com base em um rendimento presumido - ou seja, a fração do total de unidades que foram processadas com sucesso sem falhar. Com o LLZO, o rendimento foi muito menor do que com os outros projetos que examinaram; e, à medida que o rendimento diminuía, o custo de cada quilowatt-hora (kWh) de energia da bateria aumentava significativamente. Por exemplo, quando 5 por cento mais unidades falharam durante a etapa final de aquecimento do cátodo, o custo aumentou cerca de $ 30 / kWh - uma mudança não trivial, considerando que um custo alvo comumente aceito para tais baterias é $ 100 / kWh. Claramente, as dificuldades de fabricação podem ter um impacto profundo na viabilidade de um projeto para adoção em larga escala.

Materiais e desempenho

Um dos principais desafios no projeto de uma bateria totalmente sólida vem das “interfaces” - ou seja, onde um componente se encontra com o outro. Durante a fabricação ou operação, os materiais nessas interfaces podem se tornar instáveis. Os átomos começam a ir a lugares que não deveriam e o desempenho da bateria diminui.

Como resultado, muitas pesquisas são dedicadas a encontrar métodos de estabilização de interfaces em diferentes designs de bateria. Muitos dos métodos propostos aumentam o desempenho; e, como resultado, o custo da bateria em dólares por kWh diminui. Mas a implementação de tais soluções geralmente envolve materiais e tempo adicionais, aumentando o custo por kWh durante a fabricação em grande escala.

Para ilustrar essa compensação, os pesquisadores primeiro examinaram seu óxido, LLZO. Aqui, o objetivo é estabilizar a interface entre o eletrólito LLZO e o eletrodo negativo inserindo uma fina camada de estanho entre os dois. Eles analisaram os impactos - positivos e negativos - no custo de implementação dessa solução. Eles descobriram que adicionar o separador de estanho aumenta a capacidade de armazenamento de energia e melhora o desempenho, o que reduz o custo unitário em dólares / kWh. Mas o custo de incluir a camada de estanho excede a economia, de modo que o custo final é maior do que o custo original.

Em outra análise, eles examinaram um eletrólito de sulfeto chamado LPSCl, que consiste em lítio, fósforo e enxofre com um pouco de cloro adicionado. Nesse caso, o eletrodo positivo incorpora partículas do material do eletrólito - um método para garantir que os íons de lítio possam encontrar um caminho através do eletrólito para o outro eletrodo. No entanto, as partículas de eletrólito adicionadas não são compatíveis com outras partículas no eletrodo positivo - outro problema de interface. Nesse caso, uma solução padrão é adicionar um “aglutinante”, outro material que faz as partículas grudarem.

A análise deles confirmou que, sem o aglutinante, o desempenho é ruim e o custo da bateria baseada em LPSCl é de mais de US $ 500 / kWh. Adicionar o aglutinante melhora o desempenho significativamente e o custo cai quase US $ 300 / kWh. Neste caso, o custo de adicionar o aglutinante durante a fabricação é tão baixo que essencialmente toda a redução de custo da adição do aglutinante é realizada. Aqui, o método implementado para resolver o problema de interface compensa com custos mais baixos.

Os pesquisadores realizaram estudos semelhantes de outras baterias de estado sólido promissoras relatadas na literatura, e seus resultados foram consistentes: A escolha dos materiais e processos da bateria pode afetar não apenas os resultados de curto prazo no laboratório, mas também a viabilidade e o custo de fabricação do proposta de bateria de estado sólido na escala necessária para atender à demanda futura. Os resultados também mostraram que considerar todos os três fatores juntos - disponibilidade, necessidades de processamento e desempenho da bateria - é importante porque pode haver efeitos coletivos e compensações envolvidos.