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

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

Pablo Raphael

Do UOL, em São Paulo

13/03/2018 04h00

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.

Bateria da Tesla na Austrália - Divulgação/Tesla Motors - 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.
Imagem: Divulgação/Tesla Motors

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.

PowerWall - Divulgação/Tesla - 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.
Imagem: Divulgação/Tesla

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.

Nano fios de silício - Reprodução - Reprodução
Próxima geração de baterias vai usar nano fios de silício para gerar mais energia
Imagem: Reprodução

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.