Baterias de estado sólido: vantagens, desafios e quando chegam aos carros elétricos

As baterias de estado sólido são, muito provavelmente, a maior promessa da indústria automóvel na última década - e tudo indica que continuarão a sê-lo nos próximos anos.

Stellantis, Toyota, BMW, Nissan, BYD, Hyundai - e a lista podia alongar-se - têm canalizado centenas de milhões de euros para o seu desenvolvimento, atraídas pelo que esta tecnologia antecipa: baterias que não «viciam», que mantêm desempenho durante mais tempo e que permitem percorrer distâncias maiores entre carregamentos.

Em teoria, é a descrição do carro elétrico ideal. Contudo, existe um «pequeno» entrave: mesmo os cenários mais otimistas só apontam para o final desta década a chegada das baterias de estado sólido aos modelos de grande volume.

O que são baterias de estado sólido?

Antes de entrarmos nas vantagens e nos problemas desta tecnologia - ou, se preferirem, nos desafios -, importa perceber em que consiste e o que a distingue das atuais baterias de iões de lítio, sejam do tipo LFP (fosfato de ferro-lítio) ou NMC/NMA (níquel, manganês, cobalto ou alumínio).

Tal como nas baterias de iões de lítio, uma bateria de estado sólido é composta por ânodo, cátodo e eletrólito. O eletrólito é o meio através do qual os iões circulam entre o ânodo e o cátodo (os elétrodos), transportando carga e dando origem à corrente elétrica. É este componente que viabiliza a transformação de energia química em energia elétrica.

A diferença essencial entre as duas tecnologias está precisamente aí: nas baterias de estado sólido o eletrólito é sólido; nas baterias de iões de lítio atuais, o eletrólito é líquido (ou sob a forma de gel polimérico).

Para servir como eletrólito sólido, têm sido apontados materiais como compostos cerâmicos (óxidos, sulfetos e fosfatos), polímeros condutores e vidro.

Apesar do nome e do entusiasmo recente, os eletrólitos sólidos não são uma descoberta moderna: foram identificados no séc. XIX. Na época, acabaram por ser postos de lado por apresentarem baixa densidade energética - algo que, hoje, já não se verifica. Ainda assim, só mais de um século depois, já no séc. XXI, voltaram a ganhar relevância, sobretudo por causa das necessidades específicas dos automóveis elétricos.

Mesmo estando ainda a alguns anos de distância de equiparem veículos elétricos produzidos em massa, estas baterias já existem no presente: surgem, por exemplo, em identificadores por radiofrequência (RFID), em tecnologia vestível e em pilhas de pequenas dimensões, como as usadas em relógios.

O passo seguinte é levá-las para as quatro rodas, o que exige baterias muito maiores - e é precisamente aí que aparecem novos desafios.

Vantagens das baterias de estado sólido

Vejamos, então, em que pontos as baterias de estado sólido podem superar as de iões de lítio.

Maior densidade energética. Há potencial para uma densidade energética (Wh/kg) superior, já que o eletrólito sólido tende a ser mais compacto. Na prática, isto significa que podem guardar mais energia no mesmo volume - entre duas vezes a 10 vezes mais - quando comparadas com baterias de iões de lítio.

Maior segurança. Com um eletrólito sólido, desaparece o risco de fuga de líquido - por exemplo, após um acidente -, reduzindo de forma significativa a probabilidade de incêndio.

Vida útil maior. As baterias de estado sólido também apontam para uma longevidade superior face às de iões de lítio. A maior estabilidade química torna-as menos vulneráveis à degradação associada aos ciclos de carga e descarga.

Carregamentos mais rápidos. Essa estabilidade química acrescida abre ainda outra vantagem importante: tempos de carregamento mais curtos. A gestão térmica tende, igualmente, a ser mais simples - com menor necessidade de sistemas de monitorização e controlo -, o que também contribui para uma melhor eficiência.

O grande problema desta tecnologia

Apesar do conjunto de vantagens, as baterias de estado sólido ainda não passaram, verdadeiramente, da «teoria» para a «prática». Isto é: ainda não estão presentes nos carros elétricos atualmente à venda. Antes de se tornarem um produto de massa, têm de ultrapassar vários obstáculos.

Custos. Como seria de esperar, o entrave mais imediato é o preço. E esse custo adicional pode ser dividido em duas vertentes: matérias-primas e construção.

Do lado das matérias-primas, estas baterias recorrem a ânodos de alta densidade e o lítio tem sido a escolha preferencial para esse papel. Resultado: necessitam de mais lítio do que as baterias de iões de lítio, o que levanta um problema. O preço do lítio tem tendência para subir - a procura cresce mais depressa do que a oferta - e a entrada das baterias de estado sólido pode intensificar ainda mais essa pressão.

Para tornar o cenário mais complexo, o fabrico é completamente diferente do das baterias de iões de lítio atuais. Ou seja, serão necessárias novas fábricas e novos processos para que, com o tempo, se alcancem os ganhos associados às economias de escala de que as baterias de iões de lítio começam a beneficiar.

Embora diversas marcas já tenham apresentado protótipos de baterias de estado sólido, nenhuma conseguiu ainda ultrapassar a «prova» da produção em larga escala.

Degradação rápida. Isto não contradiz o que foi dito acima. Embora exista potencial para durarem mais do que as de iões de lítio, ao recorrerem a ânodos de alumínio partilham com estas um problema conhecido: a formação de dendrites.

As dendrites são filamentos de lítio que podem surgir quando as baterias são carregadas ou descarregadas rapidamente. Têm sido apontadas como uma das causas de curtos-circuitos internos e até de explosões em baterias de iões de lítio.

Como muitas das baterias de estado sólido conhecidas utilizam ânodos de lítio, a possibilidade de surgirem dendrites é elevada, podendo estas fraturar o eletrólito sólido e provocar um curto-circuito. Uma via passa por escolher outro material para o ânodo; outra, por eliminar o ânodo, como promete a QuantumScape:

Quando chegam?

Apesar de tudo, estes desafios não são intransponíveis - basta lembrar a evolução das baterias de iões de lítio num espaço de apenas uma década. O potencial das baterias de estado sólido é muito elevado e há quem as encare como o futuro dos carros 100% elétricos.

Ainda assim, esse futuro só deverá tornar-se realidade no final desta década, período em que marcas como a Toyota, Nissan ou BMW ponderam lançar os primeiros modelos equipados com esta tecnologia.

Numa altura em que a química das baterias evolui ano após ano, resta saber se as baterias de estado sólido se vão mesmo concretizar ou se irão «evaporar» como uma promessa que nunca chegou a cumprir-se. A resposta a esta questão chega nos próximos anos.