Baterias sólidas estão próximas, mas o que ainda impede a revolução?

Há quase duas décadas, as baterias de estado sólido têm sido aclamadas como a grande revolução para os veículos elétricos. Um avanço que promete eliminar a ansiedade de autonomia, reduzir drasticamente os tempos de carregamento e tornar os carros elétricos tão práticos e convenientes quanto os movidos a gasolina - sem as emissões poluentes que prejudicam a qualidade do ar e a saúde humana.

No entanto, as baterias de estado sólido parecem estar presas em laboratórios. Então, o que está impedindo seu avanço? Quão próximas estão de alimentar os veículos elétricos? Elas são reais, ou essa tecnologia sempre será ficção científica?

Especialistas disseram ao InsideEVs que o progresso das baterias de estado sólido não é tão lento quanto parece. As empresas estão mais próximas do que nunca da comercialização, mas ainda há obstáculos. Assim como as baterias de íons de lítio, espera-se que sua produção seja lenta e gradual. As baterias semi sólidas devem chegar ao mercado primeiro, servindo como uma "tecnologia ponte" antes que as baterias totalmente sólidas alcancem a produção em massa.

“Estamos no modo de desbravar os avanços para aproximá-los das aplicações automotivas”, disse Siyu Huang, CEO da startup de baterias Factorial, ao InsideEVs. “O principal desafio para as baterias de estado sólido é a escalabilidade”, acrescentou ela—a capacidade de produzi-las em grandes quantidades.

Em uma célula tradicional de íons de lítio, o eletrólito - material que transporta os íons carregados entre os ciclos de carga e descarga - é tipicamente um produto químico líquido à base de lítio. As baterias de estado sólido substituem isso por um eletrólito sólido, geralmente feito de polímero, sulfetos ou óxidos. O objetivo permanece o mesmo: transportar elétrons entre o cátodo e o ânodo para alimentar o veículo.

Pesquisas mostram que essa mudança traz vantagens significativas. As baterias de estado sólido armazenam mais energia em um espaço menor; carregam mais rapidamente, são mais seguras e oferecem melhor estabilidade térmica do que as baterias tradicionais de íons de lítio. Em teoria, isso deve eliminar muitos dos problemas comuns e preocupantes dos veículos elétricos: perda de autonomia em temperaturas extremas, riscos de incêndio e mais.

Já as baterias semi sólidas usam um eletrólito em forma de gel, em vez de um totalmente líquido ou sólido, oferecendo melhor densidade energética e segurança. Elas são uma solução híbrida entre as baterias convencionais de íons de lítio e as totalmente sólidas.

Agora, há um grande esforço para trazer ambas as químicas de baterias à vida. A Factorial, sediada em Massachusetts, está entre as líderes nesse espaço. A empresa firmou acordos de desenvolvimento conjunto com a Mercedes-Benz, Stellantis e o Grupo Hyundai Motor (que pode até revelar seus próprios protótipos de estado sólido no próximo mês, segundo relatos).

Vários outros players também estão correndo para desenvolver essa tecnologia. A QuantumScape, da Califórnia, tem um acordo com a PowerCo, subsidiária de baterias do Grupo Volkswagen, para industrializar baterias de estado sólido. O Grupo BMW e a Ford investiram milhões de dólares na Solid Power, do Colorado. E a Toyota e a Honda estão liderando seus próprios esforços de desenvolvimento interno de baterias de estado sólido no Japão.

No ano passado, a Factorial revelou sua bateria totalmente sólida Solstice. Ela usa um eletrólito à base de sulfeto, que afirma atingir uma densidade energética revolucionária de 450 watt-hora por quilograma. A maioria das células de íons de lítio atualmente usadas em veículos elétricos tem uma densidade energética bem abaixo de 300 Wh/kg. Uma maior densidade energética significa que a bateria de um veículo elétrico pode armazenar mais energia sem ficar maior ou mais pesada, resultando em maior autonomia.

Foto de: Divulgação

No entanto, a fabricação em massa de baterias de estado sólido é um grande obstáculo. “Parte do problema de tempo é que você não pode usar as mesmas fábricas e processos para baterias de estado sólido”, disse Liz Najman, diretora de insights de mercado da startup de saúde e dados de baterias Recurrent. “Você precisa construir tudo do zero, o que requer dinheiro e tempo.”

A National Science Foundation do governo dos EUA explica em detalhes os requisitos de fabricação para baterias de estado sólido e como eles diferem das baterias de íons de lítio. Simplificando, a fabricação de baterias requer três processos principais: produção de eletrodos, produção de células e condicionamento de células.

Esses processos e a cadeia de suprimentos relacionada são altamente otimizados para a produção de baterias de íons de lítio. Agora, o desafio está em reconfigurá-los para as baterias de estado sólido. Essa mudança é semelhante à transição da impressão a tinta para a laser, ou da substituição de fios de cobre por cabos de fibra óptica. É necessário redesenhar e repensar toda a infraestrutura. E como a tecnologia ainda é nova, os pesquisadores estão trabalhando para superar esses obstáculos e alcançar desempenho e confiabilidade consistentes.

“Todos esses processos serão alterados para baterias de estado sólido e são altamente dependentes das propriedades dos materiais do eletrólito sólido”, diz o artigo, concluindo que a solução de curto prazo para acelerar a comercialização provavelmente “será uma abordagem híbrida que adota processos tanto das comunidades de baterias de íons de lítio convencionais quanto de células de combustível de óxido sólido.”

A Factorial está fazendo exatamente isso, incorporando seus processos proprietários enquanto mantém algumas das técnicas comprovadas usadas na fabricação de baterias de íons de lítio.

No ano passado, a empresa inaugurou o que afirma ser a maior linha de produção de baterias de estado sólido nos EUA, em Methuen, Massachusetts. A linha de 200 megawatt-hora parece pequena em comparação com as gigantescas fábricas de baterias sendo construídas em todo o país, com centenas de gigawatt-hora de capacidade. Mas a linha da Factorial ainda é um grande marco.

A empresa já enviou um “B-sample” para a Mercedes-Benz para testes, afirmando ser a primeira empresa de baterias a enviar uma amostra de uma bateria totalmente sólida para uma montadora global. B-sample refere-se a um protótipo de bateria próximo à produção. Ele é usado para testes mais avançados, como validação de desempenho, avaliações de segurança e integração em veículos elétricos.

Construir essas células sem defeitos em uma linha de montagem também é um desafio. “Conseguimos um rendimento de 85% na linha piloto”, disse Huang, referindo-se à taxa de células produzidas que atendem aos padrões de qualidade e são consideradas utilizáveis. “Geralmente, em uma grande linha de produção, você precisa ter mais de 95% de rendimento”, disse ela. Portanto, ainda há algum refinamento e escalabilidade a ser alcançado.

As células Solstice de 40Ah também usam um novo processo de produção chamado revestimento de cátodo a seco—um processo que a Tesla também estaria explorando para suas células de próxima geração.

De acordo com o Oak Ridge National Laboratory, os eletrodos em baterias de íons de lítio tradicionais usam uma pasta úmida que é cara, prejudicial ao meio ambiente e ocupa muito espaço no chão de fábrica. O processo a seco elimina essa pasta tóxica, misturando “pós secos com um ligante”, o que pode reduzir custos, diminuir o uso de energia e reduzir a pegada ambiental da produção de baterias.

Foto de: InsideEVs

Dodge Charger Daytona EV 2025

O resultado? A Factorial afirma que suas baterias de alta densidade energética podem oferecer uma autonomia de mais de 600 milhas (965 km). Isso é mais que o dobro da autonomia média classificada pela EPA nos EUA, que, de acordo com o Departamento de Energia, era de 283 milhas (455 km). Isso por si só é uma conquista, pois triplicou na última década. A Factorial também afirma temperaturas operacionais acima de 90 graus Celsius e uma redução de 40% no peso em comparação com as baterias tradicionais.

No entanto, a bateria quase sólida da Factorial é uma solução de curto prazo que também pode oferecer alto desempenho e escalabilidade fácil. Ela usa um material em forma de gel para o eletrólito, junto com um ânodo de metal de lítio e um cátodo de alta capacidade. Isso combina as vantagens dos eletrólitos de estado sólido com a fabricabilidade das baterias de íons de lítio convencionais, afirma a empresa.

As baterias semi sólidas já entraram no mercado chinês. No ano passado, um proprietário de um Nio ET7 alcançou 554 milhas (892 km) de autonomia com uma única carga, graças ao seu pacote semi sólido de 150 quilowatt-hora.

Elas também estão chegando aos EUA. A Stellantis prometeu lançar uma frota de demonstração do Dodge Charger Daytona equipado com as baterias quase sólidas da Factorial no próximo ano. A bateria teria uma densidade energética de 390 Wh/kg, muito acima dos padrões atuais da indústria, que giram em torno de 250-300 Wh/kg.

As baterias de estado sólido não apenas aumentam a autonomia e a segurança dos EVs, mas também oferecem uma grande vantagem em redução de peso. Segundo Huang, essa tecnologia pode economizar 90 a 135 kg no nível do pacote e até impressionantes 450 kg no nível do veículo. Essa redução permite simplificar estruturas de suporte e diminuir custos de produção. Para cada quilo eliminado, os fabricantes podem economizar cerca de US$ 11, tornando os EVs mais acessíveis e eficientes.

“Os EUA adoram SUVs e caminhonetes grandes e não aerodinâmicos”, disse Najman, da Recurrent. “Eles exigem baterias enormes para compensar sua física ruim e ficam muito pesados. As baterias de estado sólido podem oferecer mais energia em um pacote muito mais leve, então podem ser úteis no segmento de SUVs/caminhões”, acrescentou ela. No entanto, as montadoras estão se movendo em direção a sistemas de propulsão de longa autonomia para veículos maiores, que têm geradores a gasolina de reserva para carregar a bateria.

Tudo isso dito, as baterias de estado sólido estão prontas para corresponder às expectativas, acrescentou Najman. “O hype é parte do que tornou os fabricantes extra cautelosos”, disse ela. “Com toda a promessa das baterias de estado sólido, você não quer lançar uma que seja um fracasso.”