O sistema de baterias é talvez o componente mais crítico dos veículos elétricos. Além de obter a maior densidade de energia possível, aspetos como segurança, peso e sustentabilidade desempenham papéis cruciais. Dr. Andreas Hintennach é o Responsável pela pesquisa de células de bateria da Daimler.
Além de explicar os fundamentos das atuais células de iões de lítio, descreve quais as tecnologias futuras com oportunidade.
Professor Hintennach, atualmente trabalha na pesquisa e desenvolvimento de baterias – o atual tópico “quente” em termos de mobilidade elétrica. Como é que a Mercedes-Benz lida com este tema?
A tecnologia da bateria é um elemento essencial da mobilidade elétrica e parte integrante da arquitetura do veículo. Portanto, cobrimos todas as etapas, desde a pesquisa até a maturidade da produção. As nossas atividades incluem a otimização contínua da atual geração de sistemas de bateria de iões de lítio, o desenvolvimento adicional de células disponíveis no mercado mundial e a pesquisa de sistemas de bateria de próxima geração. Mas, é claro, há mais quando se trata de baterias para veículos elétricos. Também estamos a trabalhar no sistema de gestão de bateria, que é um computador complexo no qual existem sempre melhorias a fazer. A gestão térmica também é um tópico importante, responsável pela vida útil e também pelo desempenho da bateria.
Qual é o vosso principal foco?
Enquanto o nosso novo modelo de EQC está a ser apresentado aos mercados, estamos a preparar o caminho para as próximas gerações de veículos elétricos a bateria. As baterias de iões de lítio são o tipo mais comum usado atualmente em veículos elétricos. Nos próximos anos, essa tecnologia continuará a definir o ritmo – mas há mais por vir. Em relação à pesquisa e desenvolvimento, seguimos vários princípios orientadores específicos. Estamos a trabalhar constantemente em inovação e alternativas além dos iões de lítio – principalmente quanto à densidade de energia e tempo de carregamento, mas também à sustentabilidade. Por exemplo, concordamos numa parceria de sustentabilidade com a Farasis Energy (Ganzhou) Co., Ltd. para adotar uma abordagem holística em toda a cadeia de valor: parte das células da bateria para a próxima geração de veículos da nossa marca de produtos e tecnologia de EQ já devem ser produzidas utilizando 100% de eletricidade proveniente de energias renováveis. As nossas competências para a avaliação tecnológica de materiais e células, bem como atividades de pesquisa e desenvolvimento, estão a ser constantemente expandidas.
Portanto, é mais do que apenas aumentar o kWh por bateria?
A capacidade energética é importante, claro. Mas há mais: a segurança é um fator muito decisivo para nós. Alterações relacionadas com materiais poderiam proporcionar a obtenção de uma capacidade maior mas com comprometimentos em termos de segurança. Para nós, isso está definitivamente fora de questão. Um Mercedes-Benz tem que ser a referência quando se trata de segurança, e isso também é válido para a bateria. Um dos nossos princípios orientadores de desenvolvimento também é a flexibilidade: na Daimler, existem muitos casos de uso de baterias, desde veículos automóveis e comerciais Mercedes-Benz, a híbridos plug-in e veículos puramente elétricos. E, é claro, as soluções que apresentamos devem ser sustentáveis.
Quão importante é a sustentabilidade no desenvolvimento?
A sustentabilidade tornou-se o princípio geral de qualquer atividade de desenvolvimento da Daimler. Como o fabrico de veículos exige naturalmente uma grande quantidade de matérias-primas, um dos nossos focos de desenvolvimento é minimizar a necessidade de recursos naturais, mas também aumentar a transparência. Durante o desenvolvimento, criamos um conceito para cada modelo de veículo no qual todos os componentes e materiais são analisados quanto à sua adequação no contexto de uma economia circular. No que diz respeito às baterias, esse conceito já é usado para pesquisas fundamentais em que materiais preciosos podem ser substituídos, minimizados ou usados com mais eficiência. Além disso, a reciclagem já é levada em consideração desde o início. Portanto, a produção de baterias torna-se parte de uma abordagem global – um circuito fechado; uma chamada economia circular.
Qual é o impacto ambiental dos veículos elétricos? A propulsão elétrica tem um impacto comprovadamente pior do que os motores de combustão quando se trata de produção.
A produção do motor de combustão tem sido constantemente aprimorada nos últimos 133 anos. A bateria e a célula de combustível, por outro lado, atualmente iniciam a vida útil com mais emissões devido ao aumento da necessidade de energia. No entanto, em termos de operação, ambos são muito mais eficientes. E isso compensa a longo prazo. Os veículos movidos a bateria geram cerca de 40% menos emissões ao longo do seu ciclo de vida do que os veículos com motores a gasolina e 30% menos que os veículos movidos a Diesel. E nesse cálculo, as nossas reduções de CO₂ para a produção até 2039 e a reciclagem de matérias-primas, que serão incorporadas no ciclo de produção no futuro, são tidas em consideração. Ambos melhorarão ainda mais a sustentabilidade de nossos veículos de forma integral e, ao fazê-lo, contribuirão para o nosso projeto “Ambition2039”. Hoje, os nossos veículos já são 95% recuperáveis.
Quanto tempo levará até que um mercado para matérias-primas secundárias esteja em vigor?
Em oito a dez anos, haverá um número significativo de baterias de veículos disponíveis para reciclagem – em particular, cobalto, níquel, cobre e, posteriormente, silício serão reciclados. Já estamos muito bem preparados e os processos estão em andamento, assim como as oportunidades para devolver matérias-primas secundárias ao ciclo de produção. Atualmente, fazemos isso com as nossas baterias de teste. O estabelecimento de um mercado funcional para matérias-primas secundárias para a Europa é de grande importância política, porque a Europa possui poucas fontes primárias. Mas é claro que estamos a fazer os possíveis para garantir que as baterias durem o maior tempo possível.
Que materiais são usados na bateria?
Com a tecnologia de iões de lítio, a estrutura da célula é sempre semelhante, independentemente de ser um telemóvel ou uma bateria EV. Existem sempre duas chapas de metal, como cobre e alumínio. Entre as chapas de metal estão os dois polos entre os quais ocorre a reação elétrica. Para a reação, é necessário um metal reativo, como o lítio. O maior fator de custo é a composição do polo positivo da bateria, que consiste numa mistura de níquel, manganês e cobalto. O polo negativo é feito de pó de grafite, lítio, eletrólitos e um separador.
E onde é utilizado o silício mencionado?
O silício substituirá amplamente o pó de grafite no futuro. Isso permitirá aumentar a densidade de energia das baterias em cerca de 20 a 25%. O silício permite usar materiais no lado do cátodo que não são compatíveis com a grafite atualmente usada. Imagine dois copos – se quiser derramar água de um para o outro, o segundo deve ter pelo menos o mesmo tamanho, para que não transborde. Da mesma forma, o ânodo e o cátodo devem estar em equilíbrio. O silício também é usado, no entanto, para melhorar a velocidade do carregamento.
Uma sugestão importante: o cobalto é frequentemente associado a violações dos direitos humanos e danos no meio ambiente relacionados com a sua extração, principalmente na República Democrática do Congo. Qual a posição da Daimler em relação a este tema?
Desenvolvemos uma abordagem que visa garantir que os nossos fornecedores atendam aos nossos requisitos em relação à sustentabilidade e, ao fazê-lo, obtenham maior transparência na cadeia de fornecimentos. Para isso, contratamos uma empresa de auditoria para esclarecer e monitorizar todos os estágios da cadeia de provisões de cobalto, de acordo com os padrões da OCDE. Afinal, a mobilidade elétrica só é verdadeiramente sustentável se as matérias-primas forem extraídas em condições sustentáveis.
Outra estratégia é substituir o cobalto por outros materiais menos críticos …
Estamos em fase de pesquisa. Com a atual geração de células de bateria, já conseguimos reduzir a proporção de cobalto no material ativo (níquel, manganês, cobalto, lítio) de cerca de um terço para menos de 20%. No laboratório, atualmente trabalhamos com menos de 10% e a participação deve cair ainda mais no futuro. De uma perspetiva química, existem muitos argumentos para abster-se inteiramente de cobalto. Quanto mais a mistura de materiais é reduzida, mais fácil e eficiente é a reciclagem. A energia necessária para a produção química também é reduzida porque a mistura é mais fácil de produzir.
O que substituirá o cobalto e outros materiais como o lítio?
São materiais com base principalmente em manganês – uma matéria-prima menos problemática do ponto de vista ecológico e mais fácil de trabalhar. Excelentes instalações de reciclagem já existem para o manganês, porque este material é usado há décadas na produção de pilhas alcalinas (pilhas não recarregáveis). A tarefa dos investigadores é tornar esse tipo de bateria carregável. Esperamos que a tecnologia esteja pronta para o mercado na segunda metade da década de 2020. Outra alternativa é a bateria de lítio / enxofre. O enxofre é um resíduo industrial quase sem custos, muito puro e facilmente reciclável. Este material apresenta desafios significativos em relação à densidade de energia, mas também possui uma eco balança imbatível. No entanto, pode levar anos até que essa tecnologia esteja disponível para veículos ligeiros de passageiros.
O lítio também é objeto de críticas. Esta matéria-prima também pode ser substituída?
Pode. A bateria de magnésio-enxofre, por exemplo, não contém lítio. Estamos familiarizados com o magnésio de nossas vidas cotidianas na forma de giz.
Portanto, atualmente ainda não há alternativas para a bateria de iões de lítio?
Existem, em algumas aplicações. Existem até tecnologias que são superiores à bateria de iões de lítio. Isso inclui a bateria de estado sólido, que usaremos no nosso autocarro urbano Mercedes-Benz eCitaro na segunda metade de 2020. A tecnologia tem um ciclo de vida muito longo e também não inclui cobalto, níquel ou manganês. No entanto, a densidade de energia é menor, o que o torna relativamente grande e lento para carregar. É por isso que é bom para veículos comerciais, mas não para automóveis de passageiros. A bateria de iões de lítio estará connosco nos próximos anos.
As baterias de estado sólido são o futuro?
Não existe uma única tecnologia de iões pós-lítio. Sejam células com eletrólitos de estado sólido, ânodos de metal de lítio ou sistemas de enxofre de lítio – todas as tecnologias diferem nos seus requisitos específicos de material, nas suas aplicações e, pelo menos, no seu nível de maturidade. Cada tecnologia tem os seus prós e contras específicos. A boa notícia é que existem vários caminhos que reduzem o risco de uma potencial estrada sem saída no desenvolvimento. Existem baterias nas quais o revestimento de grafite do ânodo pode ser substituído por novos materiais, como folhas de metal de lítio ou pó de silício. Ambos aumentam a densidade de energia, o que aumenta a autonomia e pode até suportar carregamento rápido. Todas as baterias de estado sólido têm grandes vantagens quando se trata de segurança, mas ainda estamos a trabalhar em carregamento rápido e numa vida útil mais longa antes de podermos dizer “esta é a tecnologia que devemos trazer para a estrada agora” em relação aos veículos ligeiros de passageiros.
E o que acontecerá mais adiante?
O enxofre-lítio é uma alternativa possível. Substituir o níquel e o cobalto das baterias de hoje por enxofre aumentaria significativamente a sustentabilidade. A densidade de energia também tem muito potencial, mas a vida útil ainda não é longa o suficiente e levará um tempo até que haja um avanço nessa área. Nas baterias de lítio-ar, existe realmente apenas lítio. O resto, o oxigénio, simplesmente vem do ar. Quimicamente, é um conceito semelhante ao que existe numa célula de combustível, onde estamos a utilizar hidrogénio. A densidade de energia seria excelente – mas essa tecnologia ainda está muito distante no caminho.
Com o veículo de pesquisa VISION AVTR, existiu um passo para o futuro. A tecnologia de bateria orgânica é realmente uma opção?
Com o VISION AVTR, a Mercedes-Benz apresenta uma visão sustentável da mobilidade livre de emissões – também no que diz respeito à tecnologia. Pela primeira vez, a sua revolucionária tecnologia de bateria consiste em química de células orgânicas baseada em grafeno e, portanto, não utiliza materiais raros, tóxicos ou caros, como metais. Isso torna a mobilidade eletrónica independente dos recursos fósseis. Uma revolução absoluta é a 100% de reciclabilidade através da compostagem devido à materialidade – um excelente exemplo de uma futura economia circular no setor de matérias-primas. Além de uma densidade de energia exponencialmente alta, a tecnologia também impressiona com sua excecional capacidade de carregamento rápido. Atualmente, as baterias orgânicas fazem parte de nossa principal pesquisa. Ainda levará vários anos até que possa ser estabelecido em veículos Mercedes-Benz – mas o potencial existe!