Em nosso futuro mundo eletrificado, a demanda por armazenamento de baterias deverá ser enorme, chegando a mais de 2 a 10 terawatts-hora (TWh) de produção anual de baterias até 2030, a partir de menos de 0,5 TWh hoje. No entanto, crescem as preocupações sobre se as principais matérias-primas serão adequadas para atender a essa demanda futura. A bateria de íons de lítio – a tecnologia dominante no futuro próximo – tem um componente feito de cobalto e níquel, e esses dois metais enfrentam severas restrições de fornecimento no mercado global.
Agora, após vários anos de pesquisa liderada pelo Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), os cientistas fizeram progressos significativos no desenvolvimento de cátodos de bateria usando uma nova classe de materiais que fornecem às baterias a mesma densidade de energia, se não maior, do que as baterias convencionais de íons de lítio. mas pode ser feito de metais baratos e abundantes. Conhecido como DRX, que significa sais de rocha desordenados com excesso de lítio, esta nova família de materiais foi inventada há menos de 10 anos e permite que os cátodos sejam feitos sem níquel ou cobalto.

"A bateria clássica de íon de lítio nos serviu bem, mas ao considerar as demandas futuras de armazenamento de energia, sua dependência de certos minerais críticos nos expõe não apenas a riscos da cadeia de suprimentos, mas também a questões ambientais e sociais", disse Ravi Prasher, Diretor de Laboratório Associado da Berkeley Lab para Tecnologias de Energia. “Com os materiais DRX, isso oferece às baterias de lítio o potencial de serem a base para tecnologias de baterias sustentáveis ​​para o futuro”.

O cátodo é um dos dois eletrodos em uma bateria e representa mais de um terço do custo de uma bateria. Atualmente, o cátodo das baterias de íon-lítio usa uma classe de materiais conhecida como NMC, com níquel, manganês e cobalto como os principais ingredientes.

"Faço pesquisa de cátodos há mais de 20 anos, procurando novos materiais, e o DRX é, de longe, o melhor material novo que já vi", disse o cientista de baterias do Berkeley Lab, Gerbrand Ceder, que co-liderou a pesquisa. "Com a atual classe NMC, restrita a apenas níquel, cobalto e um componente inativo feito de manganês, a clássica bateria de íons de lítio está no final de sua curva de desempenho, a menos que você transfira para novos materiais catódicos, e é isso que o O programa DRX oferece. Os materiais DRX têm enorme flexibilidade de composição - e isso é muito poderoso porque não apenas você pode usar todos os tipos de metais abundantes em um cátodo DRX, mas também pode usar qualquer tipo de metal para corrigir qualquer problema que possa surgir durante os estágios iniciais do projeto de novas baterias. É por isso que estamos tão empolgados."

Riscos da cadeia de fornecimento de cobalto e níquel

O Departamento de Energia dos EUA (DOE) priorizou encontrar maneiras de reduzir ou eliminar o uso de cobalto em baterias. "A indústria de baterias está enfrentando uma enorme escassez de recursos", disse Ceder. "Mesmo com 2 TWh, a faixa mais baixa das projeções de demanda global, que consumiria quase toda a produção de níquel de hoje, e com cobalto não estamos nem perto. A produção de cobalto hoje é de apenas 150 quilotons, e 2 TWh de bateria requerem 2.000 quilotons de níquel e cobalto em alguma combinação."

Além disso, mais de dois terços da produção mundial de níquel são atualmente usados ​​para fabricar aço inoxidável. E mais da metade da produção mundial de cobalto vem da República Democrática do Congo, com Rússia, Austrália, Filipinas e Cuba completando os cinco maiores produtores de cobalto.

Em contraste, os cátodos DRX podem usar praticamente qualquer metal no lugar de níquel e cobalto. Cientistas do Berkeley Lab se concentraram no uso de manganês e titânio, que são mais abundantes e de menor custo do que o níquel e o cobalto.

"O óxido de manganês e o óxido de titânio custam menos de US$ 1 por quilo, enquanto o cobalto custa cerca de US$ 45 por quilo e o níquel cerca de US$ 18", disse Ceder. "Com o DRX, você tem o potencial de fazer armazenamento de energia muito barato. Nesse ponto, o íon-lítio se torna imbatível e pode ser usado em todos os lugares - em veículos, na rede - e podemos realmente tornar o armazenamento de energia abundante e barato."

Ordenado vs. desordenado

Ceder e sua equipe desenvolveram materiais DRX em 2014. Em baterias, o número e a velocidade dos íons de lítio capazes de viajar para o cátodo se traduz em quanta energia e potência a bateria possui. Nos cátodos convencionais, os íons de lítio viajam através do material do cátodo ao longo de caminhos bem definidos e se organizam entre os átomos de metal de transição (geralmente cobalto e níquel) em camadas ordenadas.

O que o grupo de Ceder descobriu foi que um cátodo com uma estrutura atômica desordenada poderia conter mais lítio – o que significa mais energia – enquanto permitia que uma gama mais ampla de elementos servisse como metal de transição. Eles também aprenderam que dentro desse caos, os íons de lítio podem facilmente pular.

Em 2018, o Escritório de Tecnologias de Veículos do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do DOE forneceu financiamento para que o Berkeley Lab fizesse um "mergulho profundo" nos materiais DRX. Em colaboração com cientistas do Oak Ridge National Laboratory, Pacific Northwest National Laboratory e UC Santa Barbara, as equipes do Berkeley Lab lideradas por Ceder e Guoying Chen fizeram um tremendo progresso na otimização de cátodos DRX em baterias de íons de lítio.

Por exemplo, a taxa de carga – ou quão rápido a bateria pode carregar – desses materiais era inicialmente muito baixa e sua estabilidade também era ruim. A equipe de pesquisa encontrou maneiras de abordar essas duas questões por meio de modelagem e experimentação. Estudos sobre o uso de fluoração para melhorar a estabilidade foram publicados em Advanced Functional Materials e Materiais de Energia Avançada; uma pesquisa sobre como habilitar uma alta taxa de carregamento foi publicada recentemente em Nature Energy .

Como o DRX pode ser feito com muitos elementos diferentes, os pesquisadores também estão trabalhando em qual elemento seria melhor usar, atingindo o ponto ideal de ser abundante, barato e fornecer bom desempenho. "O DRX agora foi sintetizado com quase toda a tabela periódica", disse Ceder.

"Esta é a ciência no seu melhor - descobertas fundamentais que servirão como base de sistemas em futuras casas, veículos e redes", disse Noel Bakhtian, diretor do Centro de Armazenamento de Energia do Berkeley Lab. "O que tornou o Berkeley Lab tão bem-sucedido na inovação de baterias por décadas é nossa combinação de amplitude e profundidade de experiência - desde a descoberta fundamental até a caracterização, síntese e fabricação, bem como mercados de energia e pesquisa de políticas. A colaboração é fundamental - fazemos parceria com a indústria e além para resolver problemas do mundo real, o que, por sua vez, ajuda a galvanizar a ciência líder mundial que fazemos no laboratório."

Progresso rápido

Novos materiais de bateria levam tradicionalmente de 15 a 20 anos para serem comercializados; Ceder acredita que o progresso nos materiais DRX pode ser acelerado com uma equipe maior. "Fizemos um grande progresso nos últimos três anos com o mergulho profundo", disse Ceder. "Chegamos à conclusão de que estamos prontos para uma equipe maior, para que possamos envolver pessoas com um conjunto mais diversificado de habilidades para realmente refinar isso".

Uma equipe de pesquisa expandida poderia agir rapidamente para resolver os problemas restantes, incluindo melhorar a vida útil do ciclo (ou o número de vezes que a bateria pode ser recarregada e descarregada ao longo de sua vida útil) e otimizar o eletrólito, o meio químico que permite o fluxo de carga elétrica entre o cátodo e o ânodo. Desde que foi desenvolvido no laboratório de Ceder, grupos na Europa e no Japão também lançaram grandes programas de pesquisa em DRX.

"Os avanços nas tecnologias de baterias e armazenamento de energia exigirão avanços contínuos na ciência fundamental dos materiais", disse Jeff Neaton, Diretor Associado do Laboratório de Ciências da Energia do Berkeley Lab. "A experiência do Berkeley Lab, instalações exclusivas e capacidades em imagens avançadas, computação e síntese nos permitem estudar materiais na escala de átomos e elétrons. Estamos bem posicionados para acelerar o desenvolvimento de materiais promissores como DRX para energia limpa."