Nós costumávamos pensar que o futuro da tecnologia estava apenas nos dispositivos. Estávamos enganados. Estes exoesqueletos de plástico e vidro não são nem de longe tão importantes quanto as baterias que os alimentam. É por isso que a corrida para fazer uma bateria melhor é a bola da vez — com alguns dribles de inovação genuína.
Mesmo que nossos gadgets e carros tenham evoluído, as baterias deles se mantiveram praticamente inalteradas. A imprensa está cheia de matérias de “avanços”, mas é extraordinariamente difícil de comercializar qualquer destas novas tecnologias em uma escala mais ampla. Criar baterias que fazem mágica no laboratório é uma coisa. Descobrir como reproduzir essa magia com segurança, em uma fábrica, milhões de vezes, a um preço competitivo? É outra coisa completamente diferente.
No entanto, a corrida continua: fabricantes de carros elétricos estão procurando células mais leves, mais fortes, mais duráveis e mais baratas. Os fabricantes de eletrônicos estão procurando células mais confiáveis, que possam ser carregadas mais rápido e durar mais tempo. Fabricantes de implantes médicos e até mesmo tecnologias vestíveis, uma bateria pequena o suficiente para “desaparecer”. Enquanto isso, empresas de energias renováveis estão procurando baterias que possam carregar e descarregar milhares e milhares de vezes e se manterem estáveis.
As descobertas que parecemos ouvir toda semana são reais. Mas há uma lacuna cada vez mais evidente entre uma descoberta e sua adoção comercial. Analisamos três áreas de pesquisa em baterias para descobrir o quão perto elas estão de — como diz o cansado e velho ditado — realmente mudar o mundo.
O estado sólido
Vamos começar com uma tecnologia emergente que acaba com um problema muito perigoso das baterias de lítio atuais: elas têm tendência a explodir em chamas inesperadamente. Estas são as chamadas baterias em estado sólido —existem muitos tipos— e, para entender como elas evitam um incêndio instantâneo, precisamos antes de tudo saber um pouco sobre por que este fenômeno ocorre em baterias de íons de lítio.
A maioria dessas baterias convencionais é feita de dois eletrodos (o ânodo e cátodo), separados por algum tipo de eletrólito líquido, ou o meio que conduz os íons de lítio do ânodo para o cátodo. O problema é que este eletrólito é muito inflamável: caso seja danificado ou perfurado, a bateria vai pegar fogo. Levando a coisas como, uau, esta:
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Baterias em estado sólido acabam com o eletrólito líquido por completo. Em vez disso, eles usam uma camada de outro material, geralmente uma mistura de metais, para conduzir íons entre os elétrodos e gerar energia.
Mas isso é apenas metade dos motivos que tornam a tecnologia de estado sólido tão emocionante. Como não há nenhum componente líquido nestas células — e como, portanto, elas exigem menos camadas extras de isolamento e de outras salvaguardas– elas tendem a ser menores, mais leves e mais adaptáveis do que suas antecessoras mais esquentadinhas.
Isso as torna muito interessantes para montadoras que procuram uma bateria mais leve e mais segura para seus veículos elétricos. O ARPA-E, do Departamento de Energia americano, está tocando vários projetos para desenvolver baterias de íon-lítio em estado sólido ou baterias em estado sólido que acabam com o lítio completamente.
Além do ARPA-E, há um líder no estado sólido — a Sakti3, uma empresa de oito anos de idade, com sede em Ann Arbor, liderada pela CEO Ann Marie Sastry. Um perfil na MIT Technology Review nos dá um vislumbre do trabalho que a Sakti3 e Sastry estão fazendo, que se concentra em descobrir como construir baterias de íon-lítio em estado sólido e em larga escala:
Ela também está desenvolvendo técnicas de fabricação que servem para a produção em massa. “Se o seu objetivo geral é o de mudar a maneira como as pessoas dirigem, seu critério já não pode ser apenas a melhor densidade de energia já alcançada ou o maior número de ciclos”, diz ela. “O principal critério é o preço, em um produto que tenha o desempenho necessário.”
O trabalho da Sakti3 parece emocionante, mas a empresa tem sido extremamente sigilosa sobre sua tecnologia, de modo que não sabemos exatamente o que ela usa como eletrólito — o que certamente poderia acabar afetando o custo ou a fabricação dessas baterias em uma escala maior.
O que sabemos é que a Sakti3 atraiu investimentos de grandes companhias, incluindo o braço de capital de risco da General Motors, e afirmou no ano passado que dobrou a densidade de energia em relação às baterias de íon-lítio. Outra empresa do ramo, a QuantumScape, é igualmente sigilosa — mas há rumores de que ela está trabalhando em ideias semelhantes com a tecnologia de estado sólido.
Então, por que não estamos andando por aí com baterias de estado sólido em nossos gadgets? Porque ainda é bastante cedo para comercializar nessa escala. Um dos maiores desafios na tecnologia de baterias não é apenas o segredo da eletroquímica, mas também replicar esse segredo em uma fábrica, por um preço menor que o de células convencionais, com maior regularidade, e em escala maciça.
É um paradigma que o autor Steve LeVine conhece bem. Seu novo livro The Powerhouse, publicado há alguns meses, é uma imersão profunda na ascensão –e queda– de uma empresa que tentou comercializar uma daquelas inovações que prometem mudar tudo num passe de mágica. Ele passou anos acompanhando a Envia, uma startup de baterias que finalmente garantiu um contrato com a GM para suprir seus cátodos, feitos de níquel, manganês e cobalto, para o carro elétrico Chevrolet Volt. Até que tudo se desfez quando os cátodos não cumpriram o que a Envia prometeu.
Como LeVine me explicou recentemente por telefone — e como ele falou em uma matéria no Quartz — a coisa mais empolgante em tecnologia de baterias, no momento, não é a bateria: é o processo de fabricação. “Eu comecei muito animado sobre o que é possível fazer descobrindo como reduzir os custos por meio de avanços nos processos de fabricação”, disse ele, ressaltando que o Departamento de Energia está se concentrando agora num processo seletivo que pede que os participantes se concentrem em inovar o processo de fabricação, em vez da ciência eletroquímica das próprias baterias.
A Tesla Gigafactory em construção em março, via Tesla Forum.
Até mesmo Elon Musk está tentando resolver este problema particular. Sua Gigafactory, que está atualmente sendo construída em Nevada (EUA), é uma aposta alta na ideia de que a Tesla pode vencer seus concorrentes simplesmente colocando todo o processo de fabricação da bateria sob o mesmo teto. Tenha em mente que isto é para baterias que não são particularmente inovadoras.
Mas este é um jogo de economias de larga escala, e até mesmo Musk está enfrentando críticas de que sua fábrica de baterias pode estar obsoleta antes de abrir, já que até lá outros avanços na tecnologia das baterias devem surgir. Esta é uma grande polêmica teórica, mas ajuda a ilustrar como a indústria da bateria está volátil nos últimos tempos.
O ar-alumínio
Mesmo que o lítio seja o rei dos materiais de bateria, ele tem muitas outras desvantagens além de explodir. Não só é caro para ser extraído, mas também é menos eficiente do que alguns outros materiais no que diz respeito à liberação de elétrons, o que o torna mais lento para carregar e descarregar, como explicou recentemente a Chemistry World.
Então, o que acontece com as baterias que dispensam completamente o lítio, algumas das quais poderiam carregar seu telefone em segundos, pelo menos teoricamente? Uma empresa israelense chamada Phinergy divulgou um candidato empolgante, mas duvidoso, ao longo dos últimos anos: uma bateria de ar-alumínio. Nessas baterias, um eletrodo é uma placa de alumínio. O outro é oxigênio. Mais especificamente, oxigênio e um eletrólito de água. Quando o oxigênio interage com a placa, ele produz energia.
Baterias de ar-alumínio estão por aí há um longo tempo, mas o interesse por elas se intensificou nos últimos anos. Um estudo muito citado de 2002 do Journal of Power Sources trouxe destaque para a tecnologia: um grupo de pesquisadores defendeu que as baterias de ar-alumínio são o único substituto viável para a gasolina. Na teoria, estas baterias podem ter 40 vezes a capacidade das baterias de íon-lítio, e a Phinergy diz que eles poderiam expandir a autonomia de veículos elétricos para 1.600 km.
Imagem: Phinergy.
Então, é hora de perguntar novamente: por que não estamos dirigindo carros movidos a oxigênio? Bem, a reação química que produz energia nessas baterias tem uma desvantagem considerável: a interação com o oxigênio leva o alumínio a se degradar. Além disso, este é um tipo de bateria chamado de célula “primária”, o que significa que a corrente flui somente em uma direção, do ânodo para o cátodo. Isto significa que elas não podem ser recarregadas. Em vez disso, as baterias têm que ser trocadas e recicladas depois de descarregadas.
Isso é um grande problema de infraestrutura quando se trata de uso generalizado. “Para carros elétricos, pode ser uma situação aceitável, uma vez que a infraestrutura disponível tem estações de serviço para trocar baterias usadas por novas”, explica Greg Less, da Universidade de Michigan, por email. “Mas, até que isso ocorra, uma célula secundária [recarregável], como íon-lítio, será preferível.” Baterias de ar-alumínio certamente não seriam viáveis para aparelhos como smartphones, porque eles precisariam ter suas baterias trocadas regularmente.
Ainda assim, a pesquisa continua no ar-alumínio. Muitas empresas prometem trazer esta novidade para o mercado nos próximos anos, incluindo a Phinergy. Uma empresa chamada Fuji Pigment também afirmou recentemente que conseguiu um enorme passo nesta direção. A Fuji diz que descobriu uma maneira de proteger o alumínio com materiais isolantes, de modo que seria possível recarregar a bateria sem precisar trocá-la.
Imagem: Stanford.
Mesmo que as opções de ar-alumínio falhem, pesquisadores apontam cada vez mais o alumínio como o material das baterias do futuro. É uma área quente agora: um laboratório na Universidade Stanford usa alumínio e grafite como eletrodos, ligados por um eletrólito líquido seguro. O grupo da Universidade de Stanford diz que sua bateria pode carregar um smartphone em menos de um minuto e pode ser “perfurada de um lado a outro” e ainda permanecer funcionando. Claro, mais pesquisa ainda precisa ser feita.
A microbateria
Outro grande problema com as baterias convencionais é o seu tamanho. Embora quase todas as outras partes de nossos eletrônicos fiquem cada vez menores, as baterias ainda são bastante robustas. Por exemplo, o mais novo laptop da Apple é definido pelo tamanho da sua bateria— que, mesmo sendo projetada em uma estrutura de camadas supereficiente, ainda ocupa a maior parte do espaço de seu corpo.
Este é um problema que vai muito além de laptops, no entanto. Pense em implantes médicos, que precisam de uma fonte de alimentação pequena o suficiente para permanecer no interior do corpo humano. Ou projetos como o Solar Impulse, que precisam de baterias levíssimas para armazenar energia. Finalmente, há também o Projeto Jacquard, do Google, que visa conectar computadores em nossa própria roupa — se tudo der certo, sem ter que esconder meio quilo de lítio em um dos bolsos.
Cada vez mais, as pesquisas estão se concentrando nas chamadas microbaterias “3D”. Qual é a diferença entre 2D e 3D? Pense em 2D como um bolo recheado simples: existem dois eletrodos, separados por um eletrólito. Eles podem ser superfinos, mas você acaba limitado a um bolo muito fino com potência de saída baixíssima.
Em comparação, uma bateria 3D é mais parecida com um rocambole (ok, é uma metáfora imperfeita), em que você pode aumentar a área de superfície dos eletrodos entrelaçando-os em camadas microscópicas. Ao aumentar a área da superfície, você facilita a viagem dos íons de um eletrodo a outro — o que aumenta a densidade de energia da bateria ou, em outras palavras, a velocidade com que ela carrega e descarrega.
Imagem: Harvard.
Cientistas estão explorando maneiras para fabricar estas pequenas maravilhas. Em 2013, uma equipe de Harvard usou uma impressora 3D para obter a precisão extrema necessária para entrelaçar ânodos e cátodos em escala nanométrica usando uma “tinta” de lítio.
E, mais recentemente, uma equipe da Universidade de Illinois publicou um artigo mostrando como eles usaram uma técnica chamada de litografia holográfica para fazer uma bateria 3D. Nela, feixes ópticos superprecisos são usados para criar uma estrutura 3D — nesse caso, os eletrodos — usando um material fotossensível (pense nele como um negativo tridimensional não exposto), que por sua vez funciona como a própria bateria.
Por que isso é melhor do que a impressão 3D? Bem, por um lado, a litografia holográfica não é tão nova quanto a impressão 3D, por isso pode ser mais promissora quando se trata de produção em larga escala.
No entanto, como todas as baterias, há um dilema aqui entre densidade de potência (a velocidade que uma bateria produz energia) e a densidade de energia (a capacidade geral de uma bateria), como explica o Gizmag em um post sobre a pesquisa. É difícil ser bom em ambas as coisas, mas é exatamente isso que a equipe de Illinois está tentando fazer. Se tiverem sucesso na comercialização de sua tecnologia, isso pode ser grande. Novamente, isso é um enorme “se”.
William King, professor da Universidade de Illinois e um dos autores do estudo, disse ao Gizmodo por e-mail que o grande obstáculo, agora, é descobrir como transformar isso em uma tecnologia comercial. “Desde que nosso primeiro artigo sobre esta tecnologia foi publicado, nós conseguimos quase triplicar a densidade de energia da bateria, utilizando novos materiais, de energia mais alta”, disse ele. Ainda assim, “o principal desafio é a fabricação em larga escala, que é nossa principal preocupação no momento”.
O que está acontecendo lá dentro?
Um dos problemas com a replicação de uma descoberta em laboratório é que, muitas vezes, nós realmente não sabemos o que está acontecendo dentro da bateria. Isso parece simples, mas é um desafio enorme e, sem dúvida, o maior obstáculo para a inovação neste assunto: nós não podemos observar de fato o que está acontecendo em nível molecular. É por isso que tantos avanços em baterias parecem ser acidentais ou inexplicáveis — e por isso eles caem por terra quando seus inventores não conseguem reproduzir os mesmos efeitos de maneira controlada.
Eu falei com um pesquisador que não está se concentrando na construção de baterias — ele está focando em ver dentro delas. Michael Toney, do laboratório do Centro de Aceleração Linear de Stanford, está desbravando o caminho para observar o que está acontecendo dentro de uma bateria sem ter que quebrá-la para ver ou perturbar o processo.
Toney e seus colegas estão usando imagiologia espectroscópica e raios-X de nanoescala para entender exatamente o que está acontecendo dentro de, digamos, uma bateria de íon-lítio quando ela está carregando. Como Toney me disse, o objetivo final é ser capaz de ver o que está acontecendo em um nível atômico. Por enquanto, porém, sua equipe conseguiu visualizar os processos químicos para, por exemplo, determinar como um ânodo pode estar perdendo sua tensão, ou visualizar uma perda gradual de energia ao longo do tempo.
Finalmente, Toney diz que a mesma tecnologia poderia levar a um software que pode realisticamente dizer como sua bateria está funcionando — não apenas deduzindo, como faz neste momento a barrinha do seu celular ou do seu computador.
Mas isso é café pequeno se comparado a poder ver como as baterias realmente funcionam. Porque a coisa mais estranha sobre a corrida para construir uma bateria que pode substituir os combustíveis fósseis não é apenas que há muitos candidatos — é saber por que eles vencem ou perdem esta batalha.
Enquanto nós queremos que uma bateria inovadora seja simples e bem-sucedida, cada vez mais parece que chegaremos a isto por uma longa pesquisa incremental, que verá muitos sucessos e fracassos até poder dizer que está concluída. Não espere que isso acabe logo; nem começamos direito ainda.
Primeira imagem por Universidade de Illinois