Os cientistas há muito vêem as baterias de metal de lítio como uma tecnologia ideal para armazenamento de carga, aproveitando o metal mais leve da tabela periódica para fornecer células repletas de energia.
Mas investigadores e empresas tentaram e falharam durante décadas para produzir versões recarregáveis e acessíveis que não tivessem o risco de pegar fogo.
Até que, no início deste ano, Jagdeep Singh, o presidente-executivo da QuantumScape, afirmou numa entrevista ao The Mobilist que a discreta empresa fortemente financiada de Silicon Valley havia vencido os principais desafios técnicos. Acrescentou que a VW espera ter as baterias nos seus carros e camiões até 2025, prometendo reduzir o custo e aumentar a autonomia dos seus veículos elétricos.
Depois de abrir o capital em novembro, a QuantumScape agora está avaliada em cerca de US $20 bilhões, apesar de ainda não ter nenhum produto ou receita (e nenhuma expectativa de que isso aconteça até 2024). A VW investiu mais de $300 milhões na empresa e criou um empreendimento conjunto com a QuantumScape para fabricar as baterias. A empresa também levantou centenas de milhões de outros grandes investidores.
Ainda assim, até agora Singh havia revelado poucos detalhes sobre a bateria, o que levou os investigadores, rivais e jornalistas a vasculhar registos de patentes, documentos de investidores e outras fontes em busca de pistas sobre o que exatamente a empresa tinha alcançado — e como.
Num anúncio à imprensa no dia 8 de dezembro, a QuantumScape finalmente forneceu os resultados técnicos dos testes de laboratório. A sua tecnologia é uma bateria parcialmente de estado sólido, o que significa que usa um eletrólito sólido em vez do líquido do qual a maioria das baterias depende para promover o movimento de átomos carregados através do dispositivo.
Vários investigadores e empresas estão a explorar a tecnologia de estado sólido para uma variedade de produtos químicos de bateria porque esse método tem o potencial de melhorar a segurança e a densidade de energia, embora o desenvolvimento de uma versão prática tenha se mostrado difícil.
A empresa, com sede em San Jose, Califórnia, ainda está a ocultar alguns detalhes sobre a sua bateria, incluindo alguns dos principais materiais e processos que está a usar para fazê-la funciõesar. E alguns especialistas continuam céticos de que a QuantumScape tenha realmente abordado os difíceis desafios técnicos que tornariam possível uma bateria de metal de lítio em veículos comerciais nos próximos cinco anos.
Resultado dos testes
Numa entrevista para a MIT Technology Review americana, Singh disse que a empresa mostrou que as suas baterias atenderão efetivamente cinco necessidades principais do consumidor que, até agora, impediram que os veículos elétricos ultrapassassem 2% das vendas de automóveis novos nos EUA: custos mais baixos, maior alcance, tempos de recargas mais curtos, maior vida útil total na estrada e maior segurança.
“Qualquer bateria que atenda a esses requisitos pode realmente abrir 98% do mercado de uma forma que não consegue fazer hoje”, refere.
Jagdeep Singh, CEO da QuantumScape
Na verdade, os resultados de desempenho da QuantumScape são notáveis.
As baterias podem ser carregadas até 80% da sua capacidade em menos de 15 minutos. (MotorTrend descobriu que o V3 Supercharger da Tesla levou um Model 3 de 5% a 90% em 37 minutos, num teste no ano passado.) E retêm mais de 80% de sua capacidade em 800 ciclos de carregamento, que é o equivalente aproximado de dirigir 240.000 milhas (386.243 quilómetros). Na verdade, a bateria apresenta pouca degradação, mesmo quando sujeita a ciclos agressivos de carga e descarga.
Por fim, a empresa afirma que a bateria foi projetada para atingir gamas de direção que podem exceder as dos veículos elétricos com baterias de iões de lítio padrão em mais de 80% — embora isso ainda não tenha sido testado diretamente.
“Os dados da QuantumScape são bastante impressionantes”, diz Paul Albertus, professor assistente de engenharia química e biomolecular da Universidade de Maryland e anteriormente diretor do programa iões ICS da ARPA-E com foco em estado sólido, sem afiliação ou financiamento relacionamento com a empresa.
A empresa “foi muito mais longe do que outras coisas que eu vi” em baterias de metal de lítio, acrescenta: “Correram uma maratona enquanto todos os outros fizeram 5 km.”
Como funciona
Então, como conseguiram tudo isso?
Numa bateria de iões de lítio padrão num carro elétrico hoje, um dos dois eletrodos (o ânodo) é feito principalmente de grafite, que armazena facilmente os iões de lítio que vão e vêm através da bateria. Numa bateria de metal de lítio, esse ânodo é feito do próprio lítio. Isso significa que quase todos os eletrões podem ser colocados para trabalhar armazenando energia, que é o responsável pelo maior potencial de densidade dela.
Mas isso cria alguns grandes desafios. A primeira é que o metal é altamente reativo, portanto, se entrar em contacto com um líquido, incluindo o eletrólito que suporta o movimento destes iões na maioria das baterias, pode desencadear reações colaterais que degradam a bateria ou fazem com que entre em combustão. A segunda é que o fluxo de iões de lítio pode desenvolver formações semelhantes a agulhas conhecidas como dendritos, que podem perfurar o separador no meio da bateria, causando um curto-circuito na célula.
Ao longo dos anos, esses problemas levaram os investigadores a tentar desenvolver eletrólitos de estado sólido que não são reativos com o metal de lítio, usando cerâmicas, polímeros e outros materiais.
Uma das principais inovações da QuantumScape foi desenvolver um eletrólito de cerâmica de estado sólido que também serve como separador. Com apenas algumas dezenas de micrômetros de espessura, suprime a formação de dendritos enquanto ainda permite que os iões de lítio passem facilmente para frente e para trás. (O eletrólito na outra extremidade da bateria, o lado do cátodo, é um gel de alguma forma, então não é uma bateria totalmente de estado sólido.)
Singh se recusa a especificar o material que está a usar, dizendo que é um dos seus segredos comerciais mais bem guardados. (Alguns especialistas em baterias suspeitam, com base em pedidos de patente, que se trata de um óxido conhecido como LLZO.) Levou cinco anos para se descobrir; e depois mais cinco para desenvolver a composição e o processo de fabrico certos para evitar defeitos e defeitos.
A empresa acredita que a mudança para a tecnologia de estado sólido tornará as baterias mais seguras do que a variedade de iões de lítio no mercado hoje, que ainda ocasionalmente pegam fogo em circunstâncias extremas.
O outro grande avanço é que a bateria é fabricada sem um ânodo distinto. (Veja o vídeo da QuantumScape aqui para ter uma ideia melhor de seu design “livre de ânodo”.)
Conforme a bateria carrega, os iões de lítio no lado do cátodo viajam através do separador e formam uma camada perfeitamente plana entre este e o contacto elétrico na extremidade da bateria. Quase todo esse lítio regressa ao cátodo durante o ciclo de descarga. Isso elimina a necessidade de qualquer material de ânodo “hospedeiro” que não esteja contribuindo diretamente para o trabalho de armazenamento de energia ou transporte de corrente, reduzindo ainda mais o peso e o volume necessários. Também deve cortar custos de fabrico, diz a empresa.
Riscos restantes
Há um porém: os resultados da QuantumScape são de testes de laboratório realizados em células de camada única. Uma bateria automotiva de verdade precisaria ter dezenas de camadas, todas a trabalhar juntas. Passar da linha piloto para a manufatura comercial é um desafio significativo no armazenamento de energia e o ponto em que muitas startups de baterias antes promissoras fracassaram.
Albertus observa que há um farto histórico de reclamações prematuras de avanços de baterias, então qualquer inovação é recebida com ceticismo. Albertus gostaria de ver a QuantumScape submeter as células da empresa aos tipos de testes independentes que os laboratórios nacionais realizam, sob condições padronizadas.
Outros analistas da indústria expressaram dúvidas de que a empresa pudesse realizar os testes de expansão e segurança exigidos para colocar baterias em veículos nas estradas até 2025, se a empresa tiver testado rigorosamente apenas células de camada única até agora.
A Sila Nanotechnologies, uma startup de bateria rival desenvolvendo um tipo diferente de materiais anódicos de alta densidade energética para baterias de iões-lítio, lançou um relatório técnico um dia antes da história da Mobilist que destaca uma lista de desafios técnicos para baterias de metal de lítio de estado sólido. Este observa que muitas das vantagens teóricas do metal de lítio diminuem à medida que as empresas buscam baterias comerciais, dadas todas as medidas adicionais necessárias para fazê-las funcionar.
Mas o documento enfatiza que a parte mais difícil será enfrentar o desafio do mercado: competir com a enorme infraestrutura global já existente para adquirir, produzir, enviar e instalar baterias de iões-lítio.
Apostas massivas
Outros analistas, no entanto, dizem que os avanços recentes no campo indicam que as baterias de metal de lítio irão ultrapassar significativamente a densidade de energia da tecnologia de iões de lítio e que os problemas de retenção do campo podem ser resolvidos.
“A questão costumava girar em torno se teríamos baterias de metal de lítio; agora o foco é quando as teremos”, refere Venkat Viswanathan, um professor associado da Carnegie Mellon que investigou baterias de metal de lítio (e fez trabalho de consultoria para a QuantumScape).
Singh reconheceu que a empresa ainda enfrenta desafios, mas insiste que se relacionam mais com a engenharia e o aumento da produção. Não acredita que quaisquer avanços adicionais na química são necessários Também observou que a empresa agora tem mais de US $1 bilião, proporcionando uma condição mais favorável para chegar à produção comercial.
Questionado sobre por que os jornalistas deveriam confiar nos resultados da empresa sem o benefício de descobertas independentes, Singh ressaltou que está a partilhar o máximo de dados possível para ser transparente. Mas acrescenta que QuantumScape não está “no negócio de pesquisa académica”.
“Sem ofensa, mas não nos importamos com o que os jornalistas pensam”, refere. “As pessoas com as quais nos importamos são os nossos clientes. Eles viram os dados, executaram os testes no seu próprio laboratório, viram que funcionava e, como resultado, estão apostando muito nessa empresa. A VW apostou tudo”.
Artigo de James Temple, Senior Editor – MIT Technology Review
MIT Technology Review