Como as baterias de estado sólido podem transformar os meios de transporte. Toyota parece estar perto de uma descoberta na fabricação que poderia acelerar a transição para carros elétricos
Financial Times, 30/01/2024
Em 1992, a Sony desencadeou uma revolução na eletrônica portátil. Aproveitando décadas de pesquisa laboratorial em baterias de íon-lítio, a empresa japonesa conseguiu introduzir produtos como telefones celulares e câmeras de vídeo portáteis que mudaram a vida de bilhões de consumidores.
As baterias agora têm a tarefa prodigiosa de reformular o sistema global de energia e transporte para reduzir a dependência de combustíveis fósseis.
Embora o custo de fabricação das baterias íon-lítio tenha caído drasticamente, permitindo o aumento das vendas de carros elétricos nos últimos anos, a essência da tecnologia permaneceu praticamente inalterada desde o início da comercialização. No entanto, após três décadas de otimizações incrementais, essa ortodoxia pode em breve ser desafiada.
A Toyota, maior fabricante de automóveis do mundo, indicou nas últimas semanas que está perto de uma descoberta na fabricação de uma tecnologia potencialmente revolucionária —as baterias de estado sólido.
A expectativa tem aumentado desde uma série de anúncios sobre a tecnologia de próxima geração feitos pela fabricante de automóveis japonesa em junho. Desde então, seu valor de mercado aumentou em US$ 26 bilhões. Se for bem-sucedida, a Toyota poderá começar a vender carros elétricos que são mais seguros, podem recarregar mais rapidamente e podem percorrer 1.200 quilômetros com uma única carga — cerca do dobro da média atual da empresa — já em 2027.
"Uma corrida está acontecendo em todo o mundo para ter sucesso no campo das baterias de estado sólido", diz Peter Bruce, cofundador e cientista-chefe do Faraday Institution, um instituto britânico de pesquisa em baterias. "Se a Toyota ou qualquer outra pessoa conseguir fabricar baterias de estado sólido que sejam competitivas em termos de custo e ofereçam a vida útil necessária, elas poderão proporcionar um aumento na densidade de energia e recarga em 10 minutos. Se atingirem essas métricas, será disruptivo."
Se a tecnologia for introduzida com sucesso, o impacto pode ser dramático. Isso abalaria a indústria automobilística, onde as vendas de veículos elétricos e baterias são atualmente dominadas pela Tesla, pela BYD e pela CATL da China; teria implicações geopolíticas, dada a ansiedade ocidental em relação à atual dominação da China em baterias e seus materiais brutos; e poderia abrir a aplicação de baterias para novas áreas de transporte, como a aviação.
Alguns observadores acreditam que a mudança poderia ser tão importante quanto a transição dos telefones fixos e linhas terrestres para os celulares.
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Mas a tecnologia de baterias de estado sólido não está isenta de céticos. Críticos questionam se questões científicas básicas foram discutidas; outros questionam se a fabricação em massa em alta velocidade pode ser realizada algum dia, ou se um mercado significativo realmente existirá.
"A empolgação em torno das baterias de estado sólido implica que o conjunto atual de soluções não é bom o suficiente. Isso é evidentemente falso. As vendas estão crescendo entre 20% e 30% ao ano e quase todos que as experimentam dizem que nunca mais voltarão", diz Alex Brooks, analista da Canaccord Genuity. "No momento, é um projeto de pesquisa superestimado."
A afirmação mais recente da Toyota sobre uma descoberta reacendeu a questão de quando exatamente as baterias de estado sólido vão contribuir de forma significativa para a descarbonização do sistema global de transporte.
Venkat Srinivasan, diretor do Argonne Collaborative Center for Energy Storage Science, um laboratório financiado pelo governo dos EUA, as chama de "santo graal" da indústria de baterias a longo prazo. "Mas essas inovações são interessantes em escala de laboratório, que ainda têm um grande obstáculo a superar antes de serem fabricadas, ou algo que pode ser produzido em grande escala em breve?", ele pergunta. "Ainda estou me questionando sobre isso."
Uma base sólida
Todas as baterias funcionam da mesma maneira: um fluxo de átomos eletricamente carregados, conhecidos como íons, passa por um material químico chamado eletrólito, do ânodo para o cátodo, os dois eletrodos da célula, gerando corrente no processo.
As baterias de estado sólido diferem das células de íon-lítio atuais pelo fato de o eletrólito ser sólido em vez de líquido. Diferentes materiais, incluindo polímeros, óxidos e sulfetos, estão sendo testados como eletrólitos potenciais. Carros que usam baterias de estado sólido seriam muito mais seguros, já que os eletrólitos líquidos podem representar um risco maior de incêndios.
Apenas mudar o eletrólito não resultaria necessariamente em uma mudança significativa no desempenho da bateria. A verdadeira empolgação está relacionada a um desenvolvimento tecnológico que isso permitiria: ânodos de metal de lítio. Substituir o grafite usado nos ânodos atuais ajudaria a dobrar a autonomia da bateria, em parte porque ela seria mais leve.
As baterias de estado sólido enfrentam desafios tecnológicos básicos de longa data. Um deles é a dificuldade de manter o desempenho da bateria e evitar falhas, uma vez que as cargas e descargas repetidas causam a formação de dendritos, aglomerados de lítio, que podem levar a rachaduras.
Outro desafio é permitir um contato estável entre materiais sólidos. O primeiro "avanço", anunciado pela Toyota em junho, relacionava-se à resolução dos problemas técnicos de durabilidade, embora os detalhes fossem escassos sobre que tipo de materiais levaram a esse avanço.
Em outubro, anunciou uma parceria com o grupo petroquímico Idemitsu Kosan para desenvolver e produzir em conjunto um eletrólito de sulfeto, que, segundo a empresa, seria fundamental para a comercialização em até cinco anos. "Estamos confiantes de que os eletrólitos sólidos à base de sulfeto são a solução mais promissora para os problemas dos veículos elétricos a bateria, como autonomia e tempo de carregamento", disse o CEO da Idemitsu, Shunichi Kito, em uma coletiva de imprensa conjunta com a Toyota.
Cientistas concordam cada vez mais que os desafios tecnológicos básicos não parecem mais insuperáveis. Isso torna o próximo desafio a ampliação para produção em massa. O processo de montagem apresenta um dos maiores obstáculos, uma vez que as células cátodo-ânodo precisam ser empilhadas rapidamente e com alta precisão, sem danificar os materiais. Os engenheiros da Toyota também afirmaram ter avanços nesse aspecto. O grupo está cada vez mais confiante de que pode empilhar as células na mesma velocidade das baterias de íon-lítio atuais.
No entanto, outros obstáculos técnicos precisam ser superados para alcançar a produção em massa em larga escala. "Ainda precisamos de um avanço em termos de garantir o volume e a qualidade dos materiais da bateria", disse um de seus engenheiros durante uma visita à fábrica no mês passado.
Impacto global
A introdução de baterias de estado sólido pode ter um impacto profundo no futuro da indústria automobilística global. No momento, a China tem o potencial de dominar a próxima etapa da indústria devido à sua liderança tanto em tecnologia quanto em fabricação de baterias: no ano passado, produziu mais de 75% das baterias globalmente, segundo a Agência Internacional de Energia.
A CATL é de longe a maior fabricante de baterias do mundo, com uma participação de mercado de 37%. A empresa sediada em Ningde é a fabricante de baterias mais lucrativa e possui uma vantagem de custo formidável, em parte devido à sua escala e investimento em pesquisa e desenvolvimento.
As baterias de estado sólido podem ser a única maneira de ultrapassar Pequim na corrida das baterias. A Toyota está longe de ser a única empresa investindo nessa tecnologia. Nissan e Honda têm seus próprios programas. Os três principais produtores de baterias da Coreia do Sul —LG Energy Solution, Samsung SDI e SK On— todos declararam sua intenção de desenvolver tais células até o final desta década. As startups americanas QuantumScape e Solid Power, parceiras da Volkswagen e BMW, respectivamente, têm datas semelhantes de comercialização para suas próprias tecnologias.
Akitoshi Hayashi, professor da Universidade Metropolitana de Osaka, diz que será "extremamente desafiador" produzir em massa baterias de estado sólido com a mesma qualidade das baterias de íon-lítio atuais, mas se alcançado, a tecnologia será "imbatível globalmente".
"As baterias de estado sólido serão fundamentais para a recuperação das montadoras japonesas, que estão atrasadas na estratégia de veículos elétricos, e para o Japão, que perdeu participação de mercado mundial em baterias de íon-lítio", acrescenta.
A China também controla o processamento de matérias-primas para baterias. As baterias de estado sólido podem reduzir certas vulnerabilidades, como a dependência atual do grafite, sobre o qual Pequim impôs restrições de exportação em outubro. No entanto, elas pouco ajudariam a amenizar a previsão de escassez de lítio, uma vez que consumiriam ainda mais do que as baterias atuais.
Líderes do setor na China e na Coreia são menos otimistas em relação às baterias de estado sólido alcançarem suas promessas. De acordo com uma pessoa próxima à CATL, os pesquisadores do grupo chinês têm trabalhado nos últimos dez anos para desenvolver baterias de estado sólido. Eles ainda não encontraram um sistema viável em termos de custo para produção em massa —e, internamente na CATL, há ceticismo de que a Toyota tenha alcançado isso.
Líderes da indústria coreana concordam. "Desenvolver um produto e comercializá-lo são duas questões diferentes", diz um executivo. "A Toyota vem falando sobre a produção em massa de baterias de estado sólido há mais de 10 anos, mas eles continuam adiando o cronograma."
Obstáculos de fabricação
Mesmo que os desafios tecnológicos e de ampliação possam ser superados, é uma grande incógnita se as baterias de estado sólido podem reduzir os custos de produção a tempo de acelerar a implantação global de veículos elétricos. As economias de escala ajudarão a reduzir os custos. Mas o desempenho e o custo das baterias de íon-lítio atuais também estão melhorando constantemente, à medida que outras tecnologias, como ânodos de silício, avançam.
A extrema sensibilidade das baterias de estado sólido à umidade e ao oxigênio pode manter os custos de fabricação altos, enquanto sua complexidade pode exigir redesenhos caros de veículos elétricos.
Se os custos não diminuírem o suficiente, as baterias de estado sólido podem acabar sendo limitadas a carros de luxo ou caminhões. Kim Dong-myung, chefe da divisão avançada de baterias automotivas da LGES da Coreia, diz que produzi-las é "muito caro" e haverá "aplicações muito limitadas".
Mesmo se tudo correr como planejado, as baterias de estado sólido podem representar apenas cerca de 10% do mercado geral de veículos elétricos até 2035, estima Lee Kyung Sub, chefe do negócio de materiais de bateria do conglomerado coreano Posco.
O próprio CEO da Toyota, Koji Sato, tem sido hesitante em chamar as baterias de estado sólido de "um fator decisivo" para vencer a corrida global de veículos elétricos. Sato indicou que as baterias de estado sólido serão inicialmente lançadas em pequenos volumes em modelos de alta qualidade, enquanto as baterias de íon de lítio continuarão a ser usadas em carros mais acessíveis.
"A tecnologia de bateria de estado sólido será um fator extremamente importante para fortalecer nossa força geral nos diversos produtos de bateria que temos", disse Sato em outubro. "Mas as baterias sozinhas não determinarão o valor de nosso veículo."
Muitos executivos do setor concordam que as tecnologias constituintes do estado sólido serão gradualmente integradas às baterias atuais. A CATL parece estar planejando fazer exatamente isso, revelando em abril uma nova bateria "condensada" ou "semissólida" com o dobro da densidade de energia dos modelos atuais. "Uma bateria totalmente de estado sólido é um ideal para onde queremos ir", diz Glen Merfeld, diretor de tecnologia da Albemarle, o maior produtor de lítio do mundo. "As baterias de íon de lítio de hoje acabarão evoluindo para se parecer com isso."
Apesar dos obstáculos técnicos que ainda existem, alguns observadores acreditam que o impacto potencial pode ser profundo. Uma bateria com desempenho substancialmente melhorado poderia abrir caminho para uma reformulação de muitos aspectos da mobilidade global, desde robô-táxis até aviação regional e novos tipos de drones.
"O estado sólido tem que cumprir uma missão. O objetivo das novas baterias nunca é substituir as antigas baterias. É desbloquear coisas que não podíamos fazer anteriormente", diz Shirley Meng, professora da Universidade de Chicago. "Ao aproveitar a nova autonomia e tempo de carregamento, as montadoras japonesas estão reimaginando o futuro do transporte."
Harry Dempsey , Kana Inagaki , Christian Davies , Song Jung-a , Edward White e Ryan McMorrow
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