Investigadores de Singapura prolongam vida das baterias de estado sólido, mas o carro elétrico ainda espera

A solução ataca duas fragilidades antigas das baterias de sódio

O sódio não é novidade na química das baterias, mas as versões com eletrólito sólido continuam a enfrentar dois problemas persistentes. Os iões de sódio movem-se demasiado devagar através do polímero, enquanto o ânodo de sódio metálico pode desenvolver dendritos durante o carregamento. Estas estruturas em forma de agulha podem perfurar a célula e provocar um curto-circuito.

Uma equipa do College of Design and Engineering da Universidade Nacional de Singapura publicou o trabalho na Advanced Functional Materials. Os investigadores adicionaram nitreto de carbono grafítico, ou GCN, a um eletrólito baseado em óxido de polietileno e num sal de sódio. O material obtém-se aquecendo ureia ao ar até 550 °C, o que forma lâminas com cerca de 2 nm de espessura.

Dentro do eletrólito, o GCN faz duas coisas úteis ao mesmo tempo. Primeiro, quebra as regiões cristalinas rígidas do polímero e cria mais zonas amorfas, onde os iões de sódio se deslocam com maior liberdade. Segundo, os locais de superfície ricos em azoto ajudam a separar os iões de sódio dos contra-iões do sal, elevando o número de transferência dos iões de sódio de 0,19 para 0,51. A condutividade iónica a 55 °C mais do que duplicou.

Travão aos dendritos é o ponto mais importante

Um ânodo de sódio metálico oferece uma densidade energética teórica elevada, mas o metal deposita-se de forma irregular durante o carregamento. É aí que os dendritos começam a crescer, ameaçando a célula por dentro.

O eletrólito compósito com GCN revelou-se três vezes mais resistente do que o polímero original. Mais importante ainda, ajudou a formar uma camada inorgânica protetora à base de sódio na superfície do ânodo, orientando uma deposição mais uniforme do metal. Num teste comparativo, o eletrólito polimérico inalterado entrou em curto-circuito após 250 horas com uma densidade de corrente de 0,1 mA por cm². O eletrólito com GCN funcionou durante 1000 horas à mesma carga e mais de 2000 horas a 0,2 mA por cm².

À mesma densidade de corrente, o teste mostrou uma melhoria de cerca de quatro vezes na vida útil da bateria. Sob uma carga mais exigente, ultrapassou as 2000 horas. Isto conta, porque a resistência aos dendritos diz mais sobre a segurança prática de uma bateria sólida de metal do que qualquer valor isolado de potência em destaque.

A célula completa mostrou boa durabilidade em ciclos

Os investigadores também construíram uma célula completa com eletrólito sólido, usando um cátodo de fosfato de vanádio e sódio dopado com zinco e revestido a carbono, e um ânodo de sódio metálico. A uma taxa de carga e descarga de 0,5C, a célula manteve 95% da capacidade após 500 ciclos, enquanto a eficiência coulômbica chegou a cerca de 99,97%. Em termos simples, 1C significa carregar uma bateria em aproximadamente uma hora, enquanto 2C corresponde a cerca de meia hora.

Para demonstrar a segurança mecânica, a equipa também produziu uma célula pouch de camada única que alimentou um LED enquanto a dobravam, desdobravam e cortavam. Isso não prova que esteja pronta para um pack de baterias de um carro elétrico, mas mostra por que razão os eletrólitos sólidos oferecem uma vantagem de segurança face às células com eletrólito líquido.

Ainda não rivaliza com a CATL nos carros elétricos

Para a indústria automóvel, este resultado deve ser avaliado contra aquilo que já se aproxima da produção, não contra um ideal de laboratório. A bateria de iões de sódio Naxtra da CATL avança para produção em série com a Changan, e a CATL indica uma densidade energética da célula até 175 Wh por kg. Numa arquitetura célula-pack, que integra diretamente as células no pack, isso poderia permitir mais de 400 km de autonomia, com um objetivo futuro de 500 a 600 km. Não se trata, porém, de uma bateria de sódio metálico com eletrólito sólido.

O trabalho de Singapura joga noutro terreno. A sua força não está na autonomia máxima, pelo menos para já. Está na segurança, nas matérias-primas mais baratas e na possibilidade de reduzir a dependência do lítio. A principal limitação continua a ser a temperatura de operação. O resultado mais forte surgiu a 55 °C, enquanto o próximo objetivo é funcionamento estável a 45 °C. Uma bateria de carro elétrico na Europa tem de trabalhar numa janela climática muito mais ampla, não apenas num laboratório quente.

A Europa poderá sentir primeiro o impacto no armazenamento, não nos veículos elétricos de alto desempenho

A Europa precisa de baterias baratas e seguras, com menor risco nas matérias-primas, sobretudo para armazenamento de rede e parques solares. Nestas aplicações, a energia por quilograma pesa menos do que o preço, a segurança contra incêndio, a vida útil em ciclos e o custo de manutenção. É nesse nicho que uma bateria de sódio com eletrólito sólido poderia começar a pressionar as baterias LFP.

Nos carros elétricos, a química de sódio deverá surgir primeiro em citadinos mais baratos, veículos comerciais e modelos para climas mais frios, onde o preço e a tolerância à temperatura podem pesar mais do que a menor densidade energética. Os veículos elétricos premium e os modelos de longa autonomia continuarão, nos próximos anos, a pertencer ao território das químicas de lítio de alta energia.

Resumo técnico

Eletrólito: eletrólito polimérico sólido baseado em óxido de polietileno e sal de sódio, com lâminas de GCN de 2 nm adicionadas.

Transporte de iões: a condutividade iónica mais do que duplicou a 55 °C, enquanto o número de transferência dos iões de sódio subiu de 0,19 para 0,51.

Resistência aos dendritos: o eletrólito compósito funcionou durante 1000 horas a 0,1 mA por cm² e mais de 2000 horas a 0,2 mA por cm².

Célula completa: retenção de 95% da capacidade após 500 ciclos a 0,5C, com eficiência coulômbica de cerca de 99,97%.

Principal limitação: a tecnologia ainda precisa de temperaturas de operação mais baixas e de protótipos em formato maior.

O avanço é real, mas também é real a distância entre uma célula inteligente de laboratório e um pack de baterias capaz de sobreviver a anos de carregamentos, geada, calor e condutores impacientes.