Investigadora portuguesa pode ter descoberto a bateria do futuro

Fixem este nome: Maria Helena Braga. Por detrás deste nome tão tipicamente português, encontramos uma investigadora da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto que graças ao seu trabalho, pode ter contribuído para o avanço definitivo da tecnologia das baterias de iões de lítio.

A sua contribuição gira em torno da descoberta do vidro eletrólito, e pode dar origem a uma nova geração de baterias – de estado sólido -, que serão mais seguras, ecológicas, acessíveis e podem ter até 3x mais capacidade. Para perceber o porquê de todo este entusiasmo, convém conhecer as baterias de iões de lítio (Li-ion).

As baterias de iões de lítio são hoje as mais comuns. Têm imensas vantagens relativamente a outros tipos de baterias, mas também têm as suas limitações.

Podemos encontrá-las em smartphones, veículos elétricos e demais dispositivos eletrónicos. Para fornecerem a energia necessária, recorrem a um líquido eletrólito para transportar iões de lítio entre o ânodo (lado negativo da bateria) e o cátodo (lado positivo).

É este liquido o cerne da questão. O carregamento ou descarregamento rápido das baterias de lítio pode levar à formação de dendrites, que são filamentos de lítio (condutores). Estes filamentos podem causar curtos circuitos internos podendo causar incêndios e até mesmo explosões.

A descoberta de Maria Helena Braga

A substituição do liquido eletrólito por um sólido eletrólito evita a formação de dendrites. Foi precisamente um eletrólito sólido que Maria Helena Braga descobriu, juntamente com Jorge Ferreira, quando trabalhavam no Laboratório Nacional de Energia e Geologia.

A inovação passa pelo uso de um eletrólito sólido de vidro, que permite a utilização de um ânodo construído em metais alcalinos (lítio, sólido ou potássio). Algo que não era possível até agora. O uso de um eletrólito vítreo abriu um mundo de possibilidades, como o incrementar da densidade da energia do cátodo e prolongar o ciclo de vida da bateria.

A descoberta foi publicada num artigo em 2014 e captou a atenção da comunidade científica. Comunidade que inclui John Goodenough, o “pai” da bateria de lítio atual. Foi há 37 anos que co-inventou o avanço tecnológico que permitiu a viabilidade comercial das baterias de iões de lítio. Professor na Universidade do Texas, os 94 anos de idade não contiveram o seu entusiasmo com a descoberta da investigadora portuguesa.

Não tardou muito que Maria Helena Braga se deslocasse aos EUA para demonstrar a John Goodenough que o seu eletrólito vítreo podia conduzir iões com a mesma velocidade de um eletrólito líquido. Desde então, ambos têm colaborado na investigação e desenvolvimento da bateria de estado sólido. Esta colaboração já originou uma nova versão do eletrólito.

A intervenção de Goodenough na cooperação e desenvolvimento da bateria de estado sólido tem sido peça fundamental para dar a credibilidade necessária a esta descoberta.

Vantagens da bateria de estado sólido

As vantagens são prometedoras:

• incremento da voltagem que permitirá maior densidade energética para o mesmo volume – permite uma bateria mais compacta
• permite carregamentos rápidos sem produção de dendrites – mais de 1200 ciclos
• mais ciclos de carga/descarga que permitem uma maior longevidade da bateria
• permite operar num maior intervalo de temperaturas sem degradação – primeiras baterias a conseguir operar a -60º Celsius
• custo potencialmente mais baixo graças ao uso de materiais como sódio em vez de lítio

Outra das grandes vantagens é que as células podem ser construídas com materiais amigos do ambiente, como o referido sódio, que pode ser extraído da água do mar. E mesmo a sua reciclabilidade é uma não questão. A única desvantagem, se é que podemos chamar-lhe assim, é que a montagem destas baterias sólidas exige um ambiente seco e, de preferência, livre de oxigénio.

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Maria Helena Braga refere que já existem baterias de estado sólido: coin ou button cells, pilhas do tamanho de uma moeda que são usadas, por exemplo, em alguns relógios. Baterias com outras dimensões também já foram testadas em laboratório.

Para quando este tipo de baterias num automóvel?

Segundo Maria Helena Braga, dependerá agora da indústria. Esta investigadora e Goodenough já provaram a validade do conceito. O desenvolvimento terá de ser feito por outros. Ou seja, não vai ser amanhã ou para o ano.

Passar destes avanços em laboratório para produtos comerciais é um desafio considerável. Poderá demorar ainda 15 anos até vermos este novo tipo de baterias aplicadas a veículos elétricos.

Basicamente, é necessário encontrar processos industriais escaláveis e com uma boa relação custo-eficácia que permitam a industrialização e comercialização deste novo tipo de baterias. Outra razão prende-se com os avultados investimentos já realizados no avanço das baterias de lítio pelas mais diversas entidades. O exemplo mais mediático será a Gigafactory da Tesla.

Ou seja, nos próximos 10 anos devemos continuar a assistir à evolução das baterias de lítio. A densidade energética destas deverá subir cerca de 50% e o seu custo deverá descer em 50%. Não é de esperar uma rápida viragem da indústria automóvel às baterias de estado sólido.

Estão também a ser dirigidos investimentos para outros tipos de baterias, com diferentes reações químicas, que podem conseguir até 20 vezes mais densidade energética que uma bateria de iões de lítio atual. Não só é superior às três vezes mais conseguidas pelas baterias sólidas, como, segundo alguns, poderão chegar ao mercado antes destas.

De qualquer forma, o cenário futuro parece promissor para o veículo elétrico. Este tipo de avanços é o que deverá permitir, finalmente, níveis de competitividade equivalentes aos veículos com motores de combustão interna. Mesmo assim, com todos estes avanços, como é o caso desta descoberta de Maria Helena Braga, poderá demorar ainda 50 anos até os veículos elétricos alcançarem uma quota de 70 a 80% do mercado global.

Fernando Gomes

Entrou no universo dos automóveis através do design, hoje expressa a sua paixão pelo automóvel na escrita.

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