Baterias de estado sólido: o que são e como funcionam?

As baterias de estado sólido são, no papel, superiores às baterias de íons de lítio, mas ainda não estão prontas

Por: Andrei Nedelea

Traduzido por: Thiago Moreno

21 Janeiro em 09:01

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Os veículos elétricos são ótimos, mas seriam ainda melhores se não tivessem de carregar uma bateria grande e pesada. Tornar as baterias dos veículos elétricos menores, mais seguras e com maior densidade energética são as principais prioridades de todos os fabricantes, mas cada destes fatores é um desafio por si só e vimos apenas avanços incrementais na última década.

As baterias de íons de lítio que hoje se encontram na maioria dos veículos elétricos remontam a um conceito introduzido em 1991 e foram desenvolvidas principalmente para utilização em produtos eletrônicos, como os computadores portáteis. Através de melhorias graduais, tornaram-se suficientemente boas e baratas para serem a solução de mais usada em veículos elétricos.

No entanto, apesar dos investimentos milionários no desenvolvimento de baterias nas últimas décadas, as limitações ainda são grandes e os fabricantes de automóveis estão à procura de uma solução inovadora que resolva todos os problemas das baterias de lítio atuais ou das mais recentes baterias de polímeros de lítio (LFP).

As baterias de estado sólido podem ser o avanço que a indústria está à procura, mas ainda não se sabe quando chegarão aos veículos de produção. Já são utilizadas em pequenos dispositivos, como relógios inteligentes e até mesmo em implantes médicos, mas ainda não as vimos em muitas aplicações maiores. Mas, mesmo depois de resolvidas as questões técnicas, continua a existir a questão do custo das baterias de estado sólido. Prevê-se que sejam cerca de três ou quatro vezes mais caras do que as baterias de íons de lítio.

Porque é que as baterias de estado sólido são melhores?

Ao contrário das atuais baterias para elétricos, que utilizam um eletrólito líquido ou de gel, as baterias de estado sólido utilizam um eletrólito sólido. Numa bateria de íons de lítio da geração atual, os sais de lítio são dissolvidos num solvente, resultando num líquido volátil que inunda toda a célula, enquanto nas baterias de estado sólido, o eletrólito pode ser uma cerâmica, um sulfureto ou outro tipo de material de estado sólido. Serve o mesmo propósito de permitir que os elétrons fluam entre o cátodo e o ânodo de uma bateria.

Ao eliminar o eletrólito líquido inflamável, as baterias de estado sólido tornam-se muito mais seguras em caso de acidente. As células de estado sólido não só conseguirão durar mais tempo, como também, mesmo que sejam abertas, a probabilidade de resultar num incêndio maciço é muito menor, graças à sua maior tolerância a temperaturas elevadas. Consequentemente, a probabilidade de um curto-circuito nas células é também muito menor.

Isto também reduz a possibilidade de fuga térmica, que é uma reação em cadeia em que as células da bateria sobreaquecem e podem entrar em combustão, o que se propaga de uma célula para outra, acabando por consumir todo o conjunto.

As baterias de estado sólido podem ter o dobro da densidade energética das atuais baterias de íons de lítio. Isto significa que o conjunto de baterias de um veículo elétrico necessitaria de menos células de bateria para a mesma capacidade e o conjunto seria mais leve, melhorando assim a autonomia, o desempenho e o comportamento do veículo. O conjunto também seria fisicamente menor, não tendo mais que ocupar toda a parte inferior do automóvel, permitindo assim uma melhor utilização do espaço interno.

Com conceitos como a bateria de lítio-metal de estado sólido, as próprias células são mais curtas, pelo que, mesmo num conjunto de baterias em que as células são colocadas verticalmente, é possível tornar o conjunto mais fino.

A degradação do eletrólito devido aos repetidos ciclos térmicos causados pelo carregamento de uma bateria de íons de lítio é uma das formas pelas quais as atuais baterias de veículos elétricos perdem capacidade ao longo do tempo. As baterias de estado sólido têm um eletrólito muito mais estável, que deverão durar muito mais tempo, mantendo uma maior capacidade.

Outra vantagem das baterias de estado sólido é o fato de poderem ser carregadas mais rapidamente e não se danificarem quando carregadas regularmente a 100%. As actuais baterias de íons de lítio gostam de ser mantidas entre 20 e 80 por cento do estado de carga para terem uma vida útil mais longa possível, mas este não seria uma exigência com os conjuntos de estado sólido.

O desempenho melhor em tempo frio é outra área em que o estado sólido é melhor. As baterias de estado sólido podem suportar uma gama mais ampla de temperaturas e devem ser menos afetadas pelas temperaturas exteriores. Isto significa que podem reter mais carga em temperaturas negativas e também permitir velocidades de carregamento mais elevadas nas mesmas condições.

A Toyota, o fabricante de automóveis com o projeto mais avançado em matéria de baterias de estado sólido, afirma que a tecnologia pode oferecer 20% de autonomia a mais em comparação com as baterias de íons de lítio e as de fosfato de ferro e lítio da próxima geração, ainda não lançadas. Deverá permitir ainda que os veículos elétricos ultrapassem as 1.000 km de autonomia e carreguem de 10 a 80 por cento em cerca de 10 minutos.

Quando chegarão aos veículos eléctricos?

A Toyota não revelou muito quando se trata de seus planos de baterias de estado sólido. No seu plano de lançamento de veículos elétricos, a marca informou que o seu objetivo era ter baterias de estado sólido prontas para utilização comercial até 2028, embora existam rumores de que poderão chegar ainda mais cedo. O fabricante confirmou que as primeiras baterias de estado sólido serão introduzidas nos seus veículos híbridos e não nos veículos totalmente eléctricos.

Tal como a Toyota, a Nissan também prometeu lançar um veículo elétrico com baterias de estado sólido até 2028 e já tem em funcionamento um protótipo de linha de montagem capaz de fabricar as baterias internamente. A Hyundai registou recentemente uma patente para uma bateria de estado sólido nos EUA e planeia colocar estas baterias na produção de veículos elétricos antes de 2030.

A BMW está trabalhando com a Solid Power no desenvolvimento de baterias de estado sólido, mas o seu objetivo é, eventualmente, passar a desenvolver as baterias internamente e não depender de terceiros. O fabricante lançará uma nova plataforma dedicada para veículos elétricos, a Neue Klasse, em 2025, mas só apresentará baterias de estado sólido perto do final da década.

A chinesa Dongfeng é uma fabricante de automóveis que trabalha com baterias de estado sólido, e seu Nammi 01, um novo carro urbano elétrico lançado na China em 2023, foi projetado para suportar uma bateria de estado sólido e inicialmente parecia que seria lançado com ela. No entanto, o carro de produção tem duas baterias disponíveis, mas nenhuma delas é de estado sólido.

Galeria: QuantumSpace - protótipo bateria de estado sólido

A Mercedes-Benz equipou algumas dezenas de ônibus urbanos elétricos eCitaro destinados à cidade alemã de Bremen com baterias de estado sólido em 2021 e 2022. Trata-se de baterias de polímero de lítio de 441 kWh com um eletrólito sólido produzido pela Blue Solutions em França. Estes autocarros continuam a ser utilizados em Bremen.

O calendário para o lançamento de baterias de estado sólido não é claro, mas o número de veículos com a tecnologia tende a crescer até ao final desta década. O processo de adoção do estado sólido será estimulado por potenciais descobertas que não podemos prever. Há também a possibilidade de as constantes melhorias incrementais e a redução dos custos das baterias de eletrólito líquido as manterem relevantes, mesmo quando uma solução viável de bateria de estado sólido chegar ao mercado. Será mais uma questão de custo do que qualquer outra coisa.