Armazenamento de eletricidade: os diferentes métodos

Armazenamento de eletricidade: a bateria de íons de lítio e suas alternativas

Comercializadas desde o início da década de 1990, as baterias de íon-lítio conquistaram uma posição de destaque no mercado de baterias nas últimas décadas. Essa tecnologia reúne inúmeras vantagens que explicam seu crescimento, tanto para alimentar celulares quanto carros elétricos. Essas baterias de íon-lítio, especialmente sua densidade energética em relação à autonomia, permitem atender às exigências da indústria automotiva.

As baterias de tração de um veículo elétrico devem atender a um conjunto de especificações muito rigorosas: custo, faixa de temperatura útil, durabilidade, capacidade de recarga rápida, etc. Alguns desses critérios são difíceis de conciliar, especialmente a densidade de energia e a potência. As equipes de pesquisa e desenvolvimento, portanto, envidam esforços contínuos para otimizar a relação autonomia/potência e melhorar todas as propriedades das baterias de íon-lítio. Em nome da mobilidade sustentável, essa otimização anda de mãos dadas com a busca por processos que reduzam o impacto das baterias no meio ambiente, especialmente para facilitar sua reciclagem.

Baterias “sólidas” para maior eficiência?

O setor de baterias está evoluindo para novas tecnologias que visam, principalmente, substituir o processo clássico de eletrólito líquido utilizado nas baterias convencionais. Assim, os fabricantes estão estudando as chamadas baterias “totalmente sólidas”, que oferecem uma simplificação dos materiais utilizados, um melhor gerenciamento da temperatura de uso e a possibilidade de aumentar a densidade energética das células. Essa é, em particular, a linha de pesquisa explorada pelos especialistas em “lítio-metal”, na qual uma superfície sólida de lítio atua como polo negativo dentro da bateria.

Também se fala em baterias híbridas, com diferentes materiais sólidos, ou em baterias semissólidas como a próxima alternativa aos modelos clássicos. Mas todas essas hipóteses ainda estão distantes: sua comercialização no setor de veículos elétricos não deve ocorrer antes de alguns anos, ou mesmo décadas.

A aliança Renault-Nissan-Mitsubishi investiu, assim, na startup americana Ionic Materials, especializada nas chamadas “baterias de estado sólido”. O eletrólito líquido atualmente utilizado nessas baterias é substituído por um material sólido, como um polímero, por exemplo. Essa tecnologia promissora ainda precisa de muitos avanços para se tornar uma alternativa às baterias atuais, especialmente para veículos elétricos!

Outras opções de armazenamento eletroquímico

As baterias de fluxo (ou “baterias redox flow”) utilizam dois reservatórios que contêm os reagentes e uma membrana condutora de íons. Sua vantagem é separar a parte “energética” da parte “de potência”. No entanto, as densidades energéticas são muito baixas para uma aplicação automotiva. Por outro lado, essa tecnologia é utilizada em aplicações de armazenamento estacionário.

Outra opção: o sódio. Esse elemento, que pertence à mesma família do lítio – a dos alcalinos –, pode ser usado como “substituto” deste último para produzir as chamadas baterias de “íons de sódio”. O sódio é um elemento mais abundante que o lítio, e suas características permitem um desempenho com maior potência. Essa tecnologia ainda está em fase de desenvolvimento: embora o sódio já seja utilizado no setor de armazenamento estacionário (em alta temperatura), sua aplicação em larga escala em nossas baterias de veículos está, por enquanto, sendo explorada por algumas startups que buscam industrializar o processo.

A composição dos diferentes elementos de uma bateria tende a evoluir de acordo com a linha de pesquisa estudada. Assim, a tecnologia metal-ar consiste em utilizar um eletrodo metálico que se dissolve e se reforma durante os ciclos de descarga/carga, em conjunto com um eletrodo que capta o oxigênio do ar para incorporá-lo à reação, como em uma célula de combustível. O lítio e o zinco podem ser, por exemplo, utilizados como eletrodos. Em alguns casos, a recarga não é feita eletricamente, mas mecanicamente, como no caso do alumínio, que requer a inserção de “cartuchos” desse metal. No entanto, essa solução ainda está em fase inicial, tendo em vista as exigências significativas do setor automotivo.

Por fim, as propriedades químicas dos metais podem constituir uma linha de pesquisa para o desenvolvimento de novas tecnologias. Por exemplo, em uma bateria de íons de lítio, a geração de corrente é impulsionada, entre outras coisas, pelo transporte de íons de lítio. Cada íon de lítio transporta uma carga. Se um elemento químico fosse capaz de fornecer o dobro dessa carga, a capacidade da bateria seria aumentada. Teoricamente, esse é o caso de metais como o cálcio ou o magnésio, que possuem essa propriedade (por isso são chamados de “divalentes”). Como esse conceito ainda se encontra em fase de pesquisa principalmente em laboratórios universitários, ainda são necessários avanços significativos para garantir a durabilidade de outros componentes da célula.

Sistemas de armazenamento mecânicos de alto desempenho

O armazenamento de energia na forma de eletricidade não é a única possibilidade disponível nessa área. A energia mecânica também tem um papel a desempenhar, como comprova o uso do bombeamento-turbinagem. Nesse processo, é a ação de uma turbina acionada pela subida e descida da água em um reservatório que servirá para armazenar e, posteriormente, liberar energia, seguindo o mesmo princípio de uma barragem hidrelétrica. A eletricidade assim produzida é capaz de comprimir o ar em imensas cavidades, e a energia é armazenada nessa forma até ser “liberada” por descompressão e pela ação de uma turbina.

Hoje em dia, fala-se até mesmo de baterias de “concreto”: blocos de concreto suspensos liberam energia ao serem “baixados” repentinamente. São tantos exemplos das inúmeras possibilidades do armazenamento mecânico, que continua sendo, acima de tudo, uma infraestrutura de armazenamento estacionária.

Baterias para cidades autossuficientes

Após alguns anos e inúmeros ciclos de recarga, a capacidade das baterias de carros elétricos diminui. Fabricantes como a Renault as reutilizam para que essas baterias sejam empregadas no armazenamento estacionário de eletricidade. Essa tecnologia permite abastecer um prédio ou um bairro durante os períodos de interrupção no fornecimento de energia e otimizar o uso da energia descarbonizada fornecida por usinas solares e eólicas.

O desafio é de grande importância, uma vez que a transição ecológica passa tanto por uma adaptação da produção — que pode ser realizada diretamente na cidade graças aos painéis fotovoltaicos — quanto pela otimização da rede, em pequena ou grande escala, para tornar cada vez mais áreas autossuficientes em energia. Um benefício para a segurança e a continuidade do fornecimento de energia elétrica!

Outra possibilidade em estudo: o vehicle-to-grid (V2G), testado pela Mobilize na Holanda, que consiste em reinjetar a eletricidade de baixo carbono de um carro elétrico diretamente na rede. A bateria de um Renault ZOÉ, quando conectada a um carregador, serve assim para armazenar energia. Essa tecnologia inovadora vem acompanhada da implantação do carregamento inteligente dentro dos próprios veículos. Prova de que, além de pensar em soluções alternativas, as indústrias estão otimizando os usos atuais para chegar a uma produção e distribuição de eletricidade com menos emissões.