Com avanços lentos, bateria ainda é o ponto fraco de um futuro tecnológico

Pablo Raphael

Do UOL, em São Paulo

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    A demanda por baterias de lítio-íon vai dobrar em 2025. Mas elas vão dar conta do recado?

    A demanda por baterias de lítio-íon vai dobrar em 2025. Mas elas vão dar conta do recado?

O futuro depende de baterias melhores. Mas não são só celulares e outros gadgets que precisam de baterias mais duradouras. O futuro dos carros elétricos e das cidades abastecidas por energia renovável só vai se tornar realidade quando as baterias oferecerem mais autonomia (e preços mais acessíveis, óbvio).

O problema é que para armazenar energia de uma rede de grande porte, as baterias que temos hoje não ajudam - tanto pela capacidade limitada de armazenamento quanto pela falta de alternativas razoáveis para a matéria-prima.

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"A bateria é o pulmão da rede elétrica", explica Ricardo Takahira, da comissão técnica de carros elétricos e híbridos da Sociedade de Engenheiros da Mobilidade (SAE) no Brasil. É ela que vai guardar a energia gerada pelos painéis fotovoltaicos ou geradores eólicos.

As limitações das baterias preocupam engenheiros, cientistas e empreendedores como Elon Musk, dono da Tesla Motors e da SpaceX. Num experimento prático, a Tesla ligou a maior bateria de íons de lítio do mundo no final de 2017 na Austrália.

Com capacidade de 129 megawatts, a maior bateria do mundo consegue fornecer energia para 30 mil casas por apenas 1 hora ou abastecer 1.250 casas durante um dia inteiro. Para você ver como é pouco, a capital brasileira com menos domicílios, Palmas (TO), tinha mais de 75 mil casas em 2010, segundo o IBGE.

Outro exemplo: a energia armazenada na bateria gigante de Elon Musk conseguiria recarregar 12 milhões de iPhones. Parece muito, né? Mas essa é a quantidade de smartphones que a Apple vende em duas semanas em 2018.

Divulgação/Tesla Motors
A rede eólica da Austrália do Sul é vulnerável a blecautes em dias de calmaria. É aí que a bateria da Tesla entra em ação: com potência de 129 MWh, ela pode iluminar mil casas de tamanho médio durante um mês, ou 10 mil por três dias.

Musk construiu a bateria australiana como laboratório para desenvolver baterias melhores, coisa que os carros da Tesla precisam para se popularizarem. O Model S tem autonomia de 426 km com uma única carga de sua bateria. Essa é a maior autonomia alcançada por um carro elétrico disponível atualmente, mas é 200 km menos do que faz um Honda Civic 1.5 Turbo, que é movido à gasolina. Para ganhar a confiança do consumidor, os carros da Tesla e outros veículos elétricos precisam de mais autonomia. Ou seja, eles precisam de baterias melhores.

Com avanços lentos, a bateria ainda é o ponto fraco de um futuro tecnológico. Isso acontece porque, diferente de chips e de outros equipamentos tecnológicos, as baterias não dobram sua capacidade com grande velocidade.

No mundo dos chips de computador, a cada 18 meses a performance computacional é dobrada, o que é conhecido como Lei de Moore. A capacidade das baterias também aumenta com o passar do tempo, mas em um ritmo bem mais lento do que o de processadores de notebooks e celulares. As baterias só ficam melhores quando a ciência descobre novos materiais ou novos processos químicos, como a recente bateria de prótons desenvolvida pela Royal Melbourne Institute of Technology, na Austrália, que ainda é apenas um protótipo do tamanho de uma moeda.

O material do qual a bateria é feita tem uma determinada capacidade de reter energia. "É o que chamamos de densidade energética", diz Ricardo. "Os cientistas buscam formas de armazenar a maior capacidade de carga no menor espaço e peso".

E por mais que o aviso de "bateria fraca" do seu celular diga o contrário, a bateria de lítio-íon é o que temos de melhor atualmente. As antigas baterias de níquel-cádmio precisariam ter o dobro do tamanho ou mais para apresentar a mesma capacidade de energia.

Bateria de lítio-íon

As baterias de lítio-íon são fundamentais na vida moderna por sua versatilidade e estão para todo lado, abastecendo desde celulares até carros elétricos. O que muda em cada caso é o tamanho: um iPhone usa uma única célula de lítio-íon, enquanto 7,104 células cilíndricas (parecidas com pilhas AA, mas maiores) alimentam um Tesla Model S. 

Agora, segura a aulinha de química: uma bateria funciona com um composto facilmente oxidável, com uma forte tendência de perder elétrons (ânodo), e outro facilmente reduzível, que recebe esses elétrons (cátodo). "Quando esses processos acontecem simultaneamente, é gerada uma corrente elétrica", explica o professor de Química Pedro Alves Machado, do colégio Cruz de Malta, em SP.

Na bateria, o caminho dos elétrons (do ânodo para o cátodo) pode ser invertido se uma corrente elétrica externa é inserida. Quando rola esse caminho inverso, a bateria é recarregada. Só que esse caminho de volta também mata a bateria aos poucos.

"Imagina você marretando uma parede todo dia de manhã e rebocando a parede à noite. Não vai demorar para ela ficar irreconhecível", explica o químico Guilherme Fahur, da Unicamp.

Por que? Ao longo do processo de carga e recarga da bateria, os íons de lítio não sofrem transformação, apenas transportam a carga entre os eletrodos. Quando recarregamos a bateria, os íons de lítio voltam a ocupar suas posições iniciais entre as folhas de grafite, num processo que se repete até o esgotamento definitivo na capacidade da bateria de segurar carga.

Por mais que a bateria de lítio-íon tenha uma vida útil maior do que outras desenvolvidas anteriormente, isso é um problema para o armazenamento. Mesmo que mais devagar, a decomposição resulta na incapacidade da bateria de fornecer a carga original.

Divulgação/Tesla
O telhado solar e a PowerWall da Tesla são estilosas, mas ainda são brinquedos para ecologistas ricos: o custo da instalação é de quase US$ 30 mil e não justifica o investimento em regiões que tem energia elétrica convencional mais barata.

Nanotecnologia 

Quando o assunto é bateria há um desafio adicional que se aplica de celulares a carros elétricos: como produzir baterias com maior capacidade sem afetar o design. 

Essa é a pergunta bilionária que Tesla, Samsung, Panasonic, Apple, LG e outras companhias tentam responder. Enquanto essas empresas buscam a solução na composição química das baterias, a californiana Amprius aposta na nanotecnologia.

A empresa desenvolve nanomateriais que facilitam o uso de silício nos ânodos das baterias. O silício é muito mais eficiente para a captação de íons de lítio do que o grafite usado atualmente. Porém, o silício tende a encolher a cada descarga de energia e acaba por se desintegrar.

Para contornar o problema, a Amprius criou cápsulas que protegem as nano partículas de silício dentro da bateria, com espaço para as mudanças de tamanho mas capazes de evitar a desintegração - o que, na prática, preserva a capacidade da bateria por mais tempo.

Reprodução
Próxima geração de baterias vai usar nano fios de silício para gerar mais energia

Feitas na China, as baterias para celular da Amprius são baratas e 10% melhores que as de íon-lítio convencionais. O próximo protótipo da empresa, feito com nano fios de silício e sem previsão para chegar ao mercado, é de ser 40% melhor.

No Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), cientistas estão criando baterias que combinam lítio e um vírus geneticamente modificado, o M13, que possui habilidades dignas de um ciborgue: ele produz ferro. Conforme o vírus se multiplica, ele forma microfios perfeitos de ferro, que conduzem muito bem a corrente elétrica dentro das baterias.

Ao mudar a forma como as baterias são feitas, é possível conseguir resultados melhores do que os atuais, sem precisar aumentar o tamanho ou a espessura dos aparelhos. As soluções da Amprius e do MIT não resolvem todos os problemas das baterias de íon-lítio, mas mostram que existem muitas maneiras de encarar o desafio. As energias renováveis têm esperança.

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