Pesquisadores querem baratear a criação de baterias usando manganês e titânio

Pesquisadores querem baratear a criação de baterias usando manganês e titânio

Por Gustavo Minari | Editado por Douglas Ciriaco | 28 de Junho de 2021 às 18h25
twenty20photos/Envato

Cientistas do Lawrence Berkeley National Laboratory, nos EUA, descobriram como criar baterias de íons de lítio com uma densidade energética igual ou maior que as células convencionais. Elas foram fabricadas com metais mais baratos e abundantes na natureza do que o cobalto e o níquel, usados na produção de baterias comuns.

Os pesquisadores usaram uma classe de materiais conhecidos como DRX (sais rochosos desordenados com excesso de lítio) que permitem a construção de cátodos sem a presença desses metais normalmente utilizados e que enfrentam problemas de escassez em todo o planeta.

"A bateria de íons de lítio clássica tem nos servido bem, mas ao considerarmos as demandas futuras de armazenamento de energia, sua dependência de certos minerais críticos nos expõe não apenas aos riscos da cadeia de abastecimento, mas também a questões ambientais. Com os materiais DRX, as baterias de lítio podem ser a base para células sustentáveis no futuro", afirma o diretor do Berkeley Lab para Tecnologias de Energia, Ravi Prasher.

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Qualquer metal

O cátodo é um dos eletrodos de uma bateria convencional e é responsável por mais de um terço do seu custo total. Atualmente, as células de íons de lítio têm cátodos feitos com níquel, manganês e cobalto. Já os cátodos de DRX poderiam ser produzidos com praticamente qualquer tipo de metal.

"Com a classe atual de materiais, que é restrita apenas a níquel, cobalto e um componente inativo feito de manganês, a bateria de íons de lítio clássica está no final de sua curva de desempenho, a menos que você transfira isso para novos componentes do cátodo e é aí que o programa DRX entra”, explica o cientista de baterias do Berkeley Lab Gerbrand Ceder.

Os pesquisadores concentraram os estudos em dois tipos de metais: manganês e titânio, mais abundantes e com custo muito menor do que o níquel e o cobalto. Esses materiais têm uma enorme flexibilidade e, como são mais baratos, podem ser usados para corrigir qualquer problema durante os estágios iniciais de projetos de novas baterias.

Manganês e tiânio podem substituir cobalto e níquel em baterias de íons de lítio (Imagem: Reprodução/Berkeley Lab)

Produção x custos

Projeções mostram que a demanda por armazenamento de baterias deve atingir de 2 a 10 terawatts/hora até 2030. Hoje, esse número é de pouco mais de 0,5 TWh e mesmo que o valor fique em torno de 2 TWh nos próximos anos, isso já seria suficiente para consumir quase toda a produção global de níquel.

A extração atual de cobalto é de apenas 150 quilotons, mas para suprimir uma demanda de 2 TWh seriam necessários 2 mil quilotons. Além disso, mais de dois terços da produção mundial vêm de apenas cinco grandes fornecedores: Rússia, Austrália, Filipinas, Cuba e República Democrática do Congo.

"O óxido de manganês e o óxido de titânio custam menos de US$ 1 (cerca de R$ 5) por quilo, enquanto o cobalto custa US$ 45 (R$ 220) por quilo e o níquel cerca de US$ 18 (R$ 90 na conversão direta). Com o DRX, o íon de lítio se torna imbatível e pode ser usado em veículos ou qualquer outro equipamento", completa Ceder.

No laboratório

Nos cátodos convencionais, os íons de lítio viajam por caminhos bem definidos e se organizam entre os átomos do metal de transição, cobalto ou níquel, em camadas ordenadas. Durante os testes, os cientistas descobriram que utilizando um cátodo com uma estrutura atômica desorganizada ele poderia conter mais lítio, consequentemente mais energia.

Estudos anteriores mostraram que os materiais DRX possuíam uma taxa de carga muito baixa e uma estabilidade ruim em comparação com o cobalto e o níquel. Agora, os pesquisadores usaram processos de fluoração para melhorar a qualidade e a estabilidade das células de energia, com um alto índice de carregamento.

Estrutura atômica "desordenada" de um cátodo DRX (direita) e a estrutura atômica "ordenada" de um cátodo convencional (Imagem: Reprodução/Berkeley Lab)

Com isso, o cátodo pode ser feito com muitos materiais diferentes, atingindo níveis de performance parecidos com os observados em baterias comuns, porém, com um custo infinitamente menor. “O DRX agora foi sintetizado com quase toda a tabela periódica e isso é fantástico", comemora Ceder.

A equipe do Berkeley Lab espera agora melhorar o ciclo de vida útil das baterias de DRX, além de otimizar o eletrólito que permite o fluxo de carga elétrica entre o cátodo e o ânodo. “Os avanços nas tecnologias de armazenamento de energia exigirão avanços contínuos na ciência dos materiais e estamos bem posicionados para acelerar o desenvolvimento de compostos promissores para energia limpa e barata”, completa o diretor do Laboratório de Ciências da Energia do Berkeley Lab, Jeff Neaton.

Fonte: Lawrence Berkeley National Laboratory

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