Novidade seria alternativa ao lítio em escala industrial (foto: iStock/SweetBunFactory)Resumo
Pesquisadores chineses desenvolveram uma bateria de fluxo à base de ferro que pode durar 16 anos, com 6 mil ciclos de carga.
Essa bateria é uma solução de infraestrutura pesada, voltada para armazenamento em escala industrial — e não para celulares.
A tecnologia oferece uma alternativa mais barata para armazenar eletricidade em larga escala, demanda cada vez maior no setor.
Uma equipe de pesquisadores do Instituto de Pesquisa de Metais da Academia Chinesa de Ciências (CAS) desenvolveu uma bateria de fluxo à base de ferro que pode solucionar o maior gargalo da transição energética: o alto custo do armazenamento de eletricidade em larga escala.
O estudo, publicado este mês na revista científica Advanced Energy Materials, apresenta uma inovação capaz de suportar 6 mil ciclos de carga — uma durabilidade de 16 anos em operação diária.
No entanto, vale lembrar que essas baterias não foram projetadas para dispositivos portáteis: elas dependem de tanques de eletrólitos, bombas e tubulações para funcionar. Trata-se de uma solução de infraestrutura pesada, voltada para o armazenamento em escala industrial.
A urgência dessa inovação está na dinâmica do mercado. Hoje, quem dita as regras quando o assunto é armazenamento de energia é o lítio, mas a sua cadeia de suprimentos é complexa e muito cara. Um levantamento repercutido pelo jornal South China Morning Post destaca que o lítio chega a ser negociado por um valor 80 vezes maior que o do ferro na indústria de base.
Essa diferença de preço transforma o material abundante na Terra em uma alternativa mais viável para criar instalações capazes de estabilizar as redes elétricas das grandes cidades, por exemplo, garantindo o fornecimento ininterrupto de energia.
Como a bateria funciona?
Diferente das baterias de íon-lítio dos celulares, as de fluxo de ferro armazenam energia em tanques de líquidos. Historicamente, os modelos à base de ferro esbarravam em uma falha técnica no polo negativo do equipamento: durante o uso, os materiais ativos têm a tendência de vazar. Esse processo, conhecido no jargão técnico como crossover, inviabiliza sua comercialização.
Para resolver o obstáculo do vazamento, os cientistas do CAS desenvolveram um complexo de ferro que funciona como um escudo de dupla camada em nível molecular. Segundo as informações divulgadas pelo portal Interesting Engineering, a molécula usa sua estrutura física — que é mais rígida e volumosa — para proteger o núcleo de ferro. Ao mesmo tempo, esse complexo possui uma forte carga negativa que gera um campo de força, repelindo as partículas que tentam “fugir” de forma indevida.
Contêineres de armazenamento de energia usados para estabilizar a rede elétrica (imagem: reprodução)
A combinação desses mecanismos barra a liberação do material. Além disso, a nova tecnologia adota uma química de base alcalina que impede a formação de dendritos, minúsculos cristais que costumam causar curtos-circuitos e destruir módulos precocemente.
Durante todo o período simulado, a bateria operou sem qualquer perda na capacidade de armazenamento. Mesmo quando os pesquisadores exigiram altas potências de saída, o protótipo reteve 78,5% da sua eficiência energética original.
Corrida para substituir o lítio
Há uma corrida internacional para encontrar alternativas ao lítio. Como as instalações de rede elétrica não sofrem restrições de peso ou espaço físico — ao contrário de carros elétricos ou dispositivos móveis —, as baterias de fluxo despontam como sucessoras mais baratas no setor.
Nos Estados Unidos, o mercado já apresenta movimentações parecidas. A ESS Tech Inc., empresa com sede no Oregon, iniciou a instalação de medidores de fluxo de ferro em infraestruturas privadas, fornecendo suporte de energia para data centers de gigantes da tecnologia como o Google.
Com resultados científicos, o próximo desafio será provar a escalabilidade do projeto, tirando a promessa dos laboratórios e integrando a tecnologia às redes elétricas.
Bateria de íons de lítio em celular (imagem: Unsplash/Tyler Lastovich)
As baterias de íon-lítio usam óxidos metálicos de lítio e grafite para a transferência de íons entre cátodo e ânodo. Essa movimentação é responsável por gerar energia que é armazenada pelo componente, sendo amplamente utilizada em dispositivos portáteis, como notebooks, celulares e wearables.
Esse tipo de bateria tem o funcionamento baseado em ciclos de carregamento, evitando o “vício” dos aparelhos eletrônicos. A tecnologia foi uma evolução às tradicionais baterias de níquel-cádmio que se degradavam de maneira mais agressiva, devido ao “efeito memória”.
A seguir, entenda como funciona a tecnologia das baterias li-ion, seu funcionamento e entenda o mito do “vício” em celulares e notebooks.
Bateria de íon de lítio (ou bateria li-ion) é um tipo de bateria recarregável que tem lítio como principal componente interno. Esse tipo de bateria é muito usado em dispositivos eletrônicos em razão de sua durabilidade, baseada em ciclos de carregamento.
Como o lítio é um material com alto potencial eletroquímico, é possível armazenar uma grande quantidade de energia sem que o peso do aparelho aumente de maneira incômoda para o usuário.
Como funcionam as baterias de íon-lítio?
As baterias de íon-lítio funcionam a partir do movimento de íons entre o cátodo e o ânodo. Quando uma bateria está com 0% de carga, todos os íons de lítio estão posicionados no cátodo de óxido metálico. Ao colocar para carregar, esses íons passam a se mover para o ânodo de grafite por meio de eletrólitos, fornecendo energia elétrica.
Assim que um dispositivo eletrônico atinge 100% de carregamento, o sistema de gerenciamento da bateria interrompe o fluxo de energia da tomada, fazendo com que os íons passem a se movimentar de volta para o cátodo, descarregando a bateria durante o uso.
Os coletores de corrente são os responsáveis por transformar toda essa energia química gerada para o hardware do dispositivo, de forma que os componentes internos passem a funcionar normalmente.
Quais são os componentes de uma bateria de íon-lítio?
Uma bateria li-ion é composta por quatro componentes principais: catodo, ânodo, eletrólito e um separador. No entanto, existem outros elementos fundamentais para o bom funcionamento do componente, como coletores de corrente e um sistema de gerenciamento de bateria. Veja a função de cada um deles abaixo:
Cátodo: eletrodo positivo composto por óxidos metálicos de lítio. O cátodo determina qual será a capacidade da bateria, além de ser o reservatório principal de íons de lítio enquanto a bateria está sem energia. Durante o carregamento do componente, esses íons são levados em direção ao ânodo;
Ânodo: eletrodo negativo (geralmente feito de grafite) que armazena íons de lítio enquanto a bateria tem carga. Quando você usa um dispositivo eletrônico com 100% de bateria, os íons vão sendo levados de volta para o cátodo até atingir 0%;
Eletrólito: meio condutor responsável pela transferência de íons entre cátodo <-> ânodo, além de atuar como isolante para elétrons;
Separador: componente responsável pela segurança do sistema da bateria. Geralmente é uma membrana que mantém ânodo e cátodo separados fisicamente, evitando, assim, explosões;
Coletores de corrente: responsáveis pela transferência de energia química liberada na reação cátodo-ânodo para os componentes elétricos do dispositivo. Os coletores são compostos por materiais de alta condutividade e estabilidade, como alumínio e cobre;
Battery Management System (BMS): sistema de monitoramento da bateria que controla temperatura, corrente e voltagem. O BMS é responsável por garantir que o componente se mantenha equilibrado, sem danificar o aparelho caso o carregamento seja feito por muito tempo, por exemplo.
Bateria de íon-lítio vicia?
Não. O “vício” de uma bateria refere-se ao “efeito memória” das baterias de níquel-cádmio. Durante os anos 60, sistemas orbitais operavam com células deste tipo que passavam por ciclos constantes de reabastecimento: a carga era elevada a 100% ao atingir o índice de 25%.
Após muito tempo de uso desse padrão, especialistas da General Electric (GE) constataram uma degradação na capacidade de energia que não era utilizada. Isso serviu de base para a disseminação global sobre a dependência de carga, sustentando a ideia de que o reabastecimento deve ocorrer apenas após o esgotamento total para evitar o “vício” do componente.
Vale destacar que esse problema só acontecia com as baterias de níquel-cádmio. As de íon-lítio funcionam de um jeito diferente e moderno, por isso elas não correm o risco de “viciar”.
Em smartphones, os ciclos de carga podem variar entre 1.000 e 2.000 ciclos, de acordo com a marca. Cada ciclo é contado apenas quando a bateria é descarregada 100%, como no gráfico abaixo:
As baterias de íon-lítio podem explodir?
Sim, embora seja raro. As explosões em baterias de íon-lítio ocorrem devido ao fenômeno chamado de “Fuga térmica”, no qual o superaquecimento do dispositivo gera reações químicas fora do padrão.
Impactos na estrutura da bateria, exposição prolongada ao calor intenso e o uso de carregadores não originais podem aumentar o risco das baterias de íon-lítio explodirem.
Quais são os tipos de bateria de íon-lítio?
Uma bateria de íon-lítio pode ter diferentes composições químicas, de acordo com a necessidade:
LCO (Óxido de cobalto e lítio): bateria com alta densidade energética muito usada em dispositivos menores, como celulares e notebooks. Tem vida útil menor que outros tipos de baterias de íon-lítio;
LMO (Óxido de manganês e lítio): bateria de íon-lítio com alta potência, mas que possibilita uma descarga de energia maior. Oxído de manganês e lítio são recomendados para veículos elétricos e ferramentas elétricas, por exemplo;
NMC (Óxido de níquel, manganês, cobalto e lítio): bateria de íon-lítio altamente recomendada para o setor automobilístico por ter maior equilíbrio entre vida útil, densidade e versatilidade, já que a proporção de cada elemento químico pode ser alterada de acordo com a necessidade.
LFP (Fosfato de ferro e lítio): tipo de bateria com segurança maior, visto que o risco de fuga térmica é menor. Tem durabilidade maior e também é altamente utilizada no setor automobilístico;
NCA (Óxido de níquel, cobalto, alumínio e lítio): tipo de bateria li-ion focada em desempenho, oferecendo maior autonomia e potência. Por se tratar de uma bateria com maior risco de problemas, exige um sistema de resfriamento mais controlado;
LTO (Titanato de lítio): tipo de bateria que altera o componente químico do ânodo — diferente das demais que alteram o cátodo. É uma evolução nas baterias de íon-lítio, já que é altamente durável e oferece um carregamento mais rápido.
Onde as baterias de íon-lítio são usadas?
As baterias de íon-lítio são amplamente utilizadas em eletrônicos de consumo, como smartphones, tablets, smartwatches, e outros wearables que permitem carregamento. Além disso, também são usadas em equipamentos portáteis, como ferramentas de diferentes indústrias.
Com o passar dos anos, esse tipo de bateria também chegou em veículos elétricos, como carros, bicicletas e patinetes.
Quais são as vantagens da bateria de íon-lítio?
Menor custo: as baterias de íon-lítio têm custo menor em comparação com as baterias de silício-carbono, por exemplo;
Baixa taxa de descarga: baterias de íons de lítio são mais eficientes enquanto estão descarregando, segurando cargas por tempos maiores em comparação com baterias de níquel. Isso permite ter um dispositivo carregado mesmo após semanas sem uso;
Ausência de efeito memória: tecnologias antigas (como níquel-cádmio) têm o chamado “efeito memória”. Assim, baterias li-ion podem ser carregadas em qualquer momento, funcionando por meio de ciclos de carregamento;
Maior ciclo de vida: alguns tipos de baterias de íon-lítio oferecem alto ciclo de vida, possibilitando o uso de eletrônicos por anos antes de realizar a troca por outro componente. Alguns modelos, inclusive, são usados em carros elétricos;
Carregamento rápido: a química presente nas baterias de íons de lítio permitem o carregamento rápido, já que a energia química gerada internamente permite que o componente absorva energia de forma eficaz;
Quais são as desvantagens da bateria de íon-lítio?
Exigência de sistemas de proteção: a instabilidade presente na bateria li-ion exige um sistema de gerenciamento de bateria interno para evitar problemas durante o uso. Esse sistema faz o monitoramento de voltagem, temperatura, evitando sobrecargas elétricas;
Sensibilidade a impactos: baterias de íon-lítio podem ser danificadas após impactos contundentes. Quedas de celulares e tablets podem danificar o componente, causando fuga térmica.
Degradação: baterias de íon-lítio acumulam nanocristais de sal com o passar do tempo, resultado das reações químicas entre cátodo e ânodo, aumentando a degradação das células;
Sensibilidade ao calor: altas temperaturas podem acelerar os processos químicos internos das baterias de íons de lítio. Dessa forma, a vida útil do componente pode ser reduzida, além da possibilidade de incêndios e explosões em casos extremos;
Qual é a diferença entre baterias de íon-lítio e baterias de silício-carbono?
A bateria de íon-lítio tem funcionamento baseado na migração de íons de lítio entre o cátodo de óxido metálico e ânodo de grafite para armazenar energia. É confiável para dispositivos como smartphones pelo alto ciclo de vida e baixa taxa de descarga, apesar de se degradar com o tempo pelo acúmulo de nanocristais de sal.
Já a bateria de silício-carbono utiliza composto sintético no ânodo, aumentando a absorção de íons pelo encapsulamento do silício pelo carbono. Esse tipo de bateria tem um controle maior da expansão volumétrica, resultando em maior densidade energética e taxa de carregamento.
Qual é a diferença entre baterias de íon-lítio e baterias de níquel-cádmio?
As baterias de íon de lítio funcionam a partir da movimentação de íons entre câtodo de óxido metálico e ânodo de grafite, resultando em energia que é armazenada pelo componente para o funcionamento de dispositivos eletrônicos portáteis.
Já as baterias de níquel-cádmio utilizam hidróxido de níquel e cádmio metálico como eletrodos. O funcionamento do sistema é feito por essa reação química. No entanto, muitas empresas as deixaram de usar em eletrônicos devido ao “efeito memória”, que memorizava índices de carga e reduzia a capacidade útil da bateria.
Baterias de íon de lítio fornecem energia para toda a residência (imagem: reprodução/Glubux)Resumo
O homem conhecido como Glubux criou um sistema solar autônomo com baterias de notebook recicladas, acumulando 56 kWh de capacidade desde 2016.
O sistema, estabilizado com triagem rigorosa de células, utiliza 24 painéis solares de 440 W e um conversor de 3 kVA para abastecer a casa.
O projeto inspirou outros entusiastas a criarem sistemas semelhantes, como um usuário na Alemanha que acumulou 10 kWh com células 18650.
Um entusiasta de tecnologia conhecido como Glubux transformou cerca de mil baterias de notebooks descartadas em um sistema solar autônomo que abastece a casa dele há oito anos. Ele relata, desde 2016, a evolução do projeto para uma instalação com 56 kWh de armazenamento.
O projeto, exibido no fórum Second Life Storage, se baseia no reaproveitamento das células de íon-lítio (modelo 18650) presentes em baterias de laptops antigos.
Projeto de oito anos
Glubux explica que, nos primeiros meses após adicionar as primeiras baterias de notebook coletadas (cerca de 650 unidades), o sistema apresentou instabilidades causadas pela mistura de células com capacidades e desgastes diferentes.
Glubux começou com cerca de 650 unidades (imagem: reprodução/Glubux)
O problema o levou a adotar uma triagem mais rigorosa:
Todas as baterias passaram a ser abertas
Células fracas eram descartadas
Apenas as mais consistentes eram organizadas em blocos padronizados de 100 ampères-hora (Ah).
Esses blocos foram instalados em um galpão a cerca de 50 metros da casa dele, onde também ficam os controladores de carga e inversores responsáveis por proteger e gerenciar o equipamento no dia a dia.
Expansão do sistema
Com a estabilidade resolvida, o sistema cresceu. Glubux instalou 24 painéis solares de 440 W, garantindo a recarga mesmo durante os meses de menor insolação. A coleta de baterias descartadas continuou até atingir a marca de mil unidades processadas.
Sistema usa de painéis solares (imagem: reprodução/Glubux)
Atualmente, o arranjo funciona em 24 V, ligado a um conversor de 3 quilovolt-ampère (kVA) que alimenta toda a casa, incluindo iluminação, eletrodomésticos e eletrônicos.
Segundo o site Scienceclock, o sistema não registrou falhas de células desde a configuração final — um bom sinal, considerando que todas vieram de baterias descartadas.
Ação inspirou outros projetos
Usuários do fórum relatam experiências parecidas (imagem: reprodução/waldschrat)
O projeto fez com que outros entusiastas no fórum investissem em soluções parecidas. Usuários continuam respondendo ao post, contando as próprias experiências e questões para a criação dos projetos.
Em uma das respostas, feita neste ano, um usuário da Alemanha relata ter construído seu próprio sistema de 24V com células 18650 há mais de 5 anos, em que foi possível acumular cerca de 10 kWh de capacidade, adaptando a fiação antiga de sua casa na Baviera.
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