Como a Ford, GM e Tesla estão construindo melhores baterias de EV

Esta história faz parte do Recode through Vox’s Suporte técnico série, que explora soluções para o nosso mundo em aquecimento.

Quando o consumidor baterias de lítio estreou no década de 1990eles foram revolucionários: eles recarregado Em algumas horas ou menos e tornou nossos computadores e telefones modernos verdadeiramente portáteis. Mas três décadas depois, essa tecnologia de bateria deve passar por uma grande atualização, já que a dura realidade das mudanças climáticas significa que as baterias de íons de lítio não precisam apenas alimentar nossos dispositivos, mas também nossos carros. Isso é muito mais difícil.

As baterias de íon-lítio tornaram-se a forma de armazenamento de energia mais utilizada porque têm uma densidade de energia extremamente alta, o que significa que eles podem armazenar muita energia em um quantity relativamente pequeno. O próprio lítio é o steel mais leve da tabela periódica, o que torna as baterias de íons de lítio further portáteis. À medida que a tecnologia foi incorporada aos veículos elétricos (EVs), essas baterias foram ao seu limite.

Eles só podem ser carregados e descarregados tantas vezes, e podemos ter atingido o limite awesome da sua capacidade de armazenamento. Esta é uma das maiores preocupações que as pessoas têm com os EVs, já que mais capacidade equivale a uma autonomia mais longa. As baterias também ocupam muito espaço nos carros que já temos, o que significa que não podemos simplesmente adicionar mais baterias para obter mais autonomia.

Portanto, se essa revolução EV for bem-sucedida, as baterias precisam melhorar. Eles precisam ir ainda mais longe com uma única carga e precisam pesar menos. As baterias EV também precisam ser menos propensas a explodir em chamas, um problema raro, mas muito preocupante. (Carros a gás e híbridos têm riscos de incêndiotambém.) Chevy recentemente teve que recolher todos os Chevy Bolt que já tinha vendido devido ao risco de incêndio da bateria. As baterias de íons de lítio nos carros atuais também podem se beneficiar de novos componentes básicos. Atualmente são feitos de materiais escassos, como cobalto e níquel, que são cada vez mais caro.

A corrida para resolver esses problemas está acelerando. Fabricantes de baterias de longa information como CATL e Solução de energia LG estão repensando os fundamentos química de baterias para que funcionem melhor em EVs. Enquanto isso, a Ford e a GM estão investindo em novas pesquisas sobre baterias, na esperança de obter uma vantagem sobre Tesla. Até o governo está se envolvendo: em março, o presidente Joe Biden invocado a Lei de Produção de Defesa – uma lei de 1950 que permite ao presidente aumentar a produção nacional de determinados produtos em caso de emergência — para aumentar a oferta do país do metais e materiais raros usados ​​em VEs.

Isso é tudo muito bom, mas o pace é essencial. A mudança climática está apenas acelerando, e cada carro novo que funciona com combustíveis fósseis pode exacerbar a ameaça. Felizmente, a melhor tecnologia de bateria não está apenas em desenvolvimento; está começando a chegar ao mercado.

A bateria de íons de lítio, explicada

Os EVs não são alimentados por uma bateria grande, mas sim por milhares de células menores. Cada célula tem quatro componentes principais que compõem uma bateria: um ânodo, um cátodo, um separador e um eletrólito, que geralmente é um líquido. Para alimentar um dispositivo como um carro, átomos carregados ou moléculas chamadas íons se movem de o ânodo para o cátodo através do eletrólito, liberando seus elétrons extras ao longo do caminho e produzindo eletricidade. Para carregar uma bateria, acontece o oposto: os elétrons fluem para a bateria e os íons retornam do cátodo para o ânodo, criando energia potencial que a bateria pode descarregar posteriormente.

No caso das baterias de íons de lítio, esses íons são, naturalmente, íons de lítio. A Sony vendeu a primeira bateria de íons de lítio para alimentar uma de suas filmadoras, e a tecnologia da bateria brand se tornou onipresente para eletrônicos de consumo. Em parte porque agora estão tão amplamente disponíveis, as montadoras passaram a usar baterias de íons de lítio para alimentar seus carros elétricos. Para fazer isso, eles geralmente embalam dezenas de células de bateria de íons de lítio em invólucros protetores maiores chamados módulos. Esses módulos são então montados em uma bateria ainda maior, que alimenta o EV.

As baterias de íons de lítio não são exatamente perfeitas para EVs, no entanto. Além do risco improvável, mas actual, de explodir em chamas, o veículo elétrico médio tem um alcance de 260 milhas. Isso é o suficiente para se locomover nas viagens do dia-a-dia, mas deixa muitos motoristas preocupados com excursões de longo alcance.

O próprio lítio também tem alguns problemas. A mineração de lítio não é particularmente ecológica e, no momento, o mundo não tem minas de lítio suficientes para fornecer subject material suficiente para o número de baterias EV que provavelmente precisamos. Há também preocupações crescentes com outros metais comumente usados ​​em baterias de íon-lítio – como o cobalto, que é extraído principalmente na República Democrática do Congo e está ligado ao trabalho infantil e preocupações com direitos humanos.

Novos materiais

Uma maneira relativamente simples de construir uma bateria melhor envolve a incorporação de diferentes materiais na tecnologia convencional de íons de lítio. Novos materiais vêm com seus próprios benefícios e desvantagens, e algumas combinações podem ser melhores para veículos elétricos do que outras.

Uma dessas combinações é chamada uma bateria de fosfato de ferro de lítio, que incorpora materiais de baixo custo no cátodo da bateria. Embora essas baterias não possam armazenar tanta energia quanto outras baterias de íons de lítio, elas permitem que as montadoras construam mais baterias por menos dinheiro e, assim, ofereçam mais EVs a um preço mais baixo. As baterias de fosfato de ferro-lítio já são amplamente utilizadas na China, e a Tesla anunciou último outono que começaria a usar essa química em seus veículos de gama padrão.

Outra abordagem altera os materiais no ânodo da bateria. Muitas baterias de íon-lítio atualmente têm ânodos feitos com grafite porque é relativamente barato e dura muito pace. Mas um punhado de startups está usando silício, o mesmo subject material usado para fazer chips de computador. As baterias com ânodos de silício podem conter 10 vezes tanta carga quanto ânodos feitos de grafite, e aumentar a carga de uma bateria capacidade general de energia. Empresas como Sila NanotecnologiasMateriais de Bateria NEO e Enovix estão aperfeiçoando seus projetos.

Uma ideia sólida

Como o próprio nome indica, uma bateria de estado sólido u.s.a. um eletrólito sólido em vez do eletrólito tradicional. Este subject material sólido não é um bloco gigante, mas sim uma camada de subject material como vidro ou cerâmica. Os eletrólitos sólidos são mais compacto, o que significa que as baterias de estado sólido podem ser menores e armazenar mais energia. Outro benefício é que os eletrólitos sólidos não são tão inflamáveis ​​quanto as baterias tradicionais de íons de lítio, e também não requerem o mesma infraestrutura de refrigeração.

As baterias de estado sólido ainda enfrentam alguns obstáculos reais. São caros e difíceis de fabricação em massa, então eles apareceram principalmente em laboratórios até agora. Outro desafio é que muitos projetos de baterias de estado sólido têm um ânodo feito de steel de lítio, em vez de grafite. Este steel lítio às vezes forma dendritosramos de steel que vazar do ânodo para o eletrólito, o que pode causar rachaduras e curtos-circuitos em uma bateria de estado sólido.

Isso não torna essas baterias um beco sem saída. Eles já foram incorporados em alguns marcapassos, protótipos de fone de ouvidoe outro dispositivos eletrônicose agora os gigantes automotivos estão pesquisando como ajustar a tecnologia para que possam eventualmente trabalhar em carros, também. Já existem alguns sinais encorajadores de progresso: Volkswagen, Forde Stellantis todos investiram na tecnologia. A Toyota planeja liberar um veículo híbrido que u.s.a. uma bateria de estado sólido até 2025, e a Nissan espera lançar um EV que u.s.a. baterias de estado sólido até 2028. Outra empresa chamada QuantumScape compartilhou pesquisas sugerindo que uma bateria de estado sólido pode funcionar – e carregue mais rápido do que outras baterias — quando combinado com outra ideia: uma bateria que não precisa de ânodo de forma alguma.

Baterias em forma de carro

Eventualmente, as baterias de íons de lítio podem não se parecer com baterias. Eles podem se tornar uma parte do que eles estão alimentando. Essa é a ideia por trás das baterias estruturais, que teriam uma bateria dupla como outra parte de um veículo, como a carroceria de um carro ou a fuselagem de um avião.

Isso pode resolver um desafio elementary com as baterias, que são incrivelmente grandes e pesadas. Permitir que uma peça do veículo também sirva como fonte de energia poderia, teoricamente, reduzir o tamanho geral de um EV. Isso também significaria, potencialmente, usar menos matérias-primas em geral.

Esse conceito está sendo incorporado aos veículos que já estão na estrada. Tesla projetou um nova bateria estrutural aquilo vai anexar diretamente aos assentos dentro do seu veículo Modelo Y. A Volvo, da mesma forma, planeja reduzir a pegada de suas baterias projetando-as para também suportar o piso de seus carros, e a GM já está lançando EVs que usam baterias para reforçar o chassi de seus veículos. Isso pode parecer pequenos ajustes no momento, mas podem abrir caminho para carros totalmente movidos por seus próprios quadros e possivelmente até aviões também.

O increase da bateria está ficando ainda maior

Alimentar veículos será uma tarefa hercúlea para as baterias, mas não será a única. Para fazer a transição para longe dos combustíveis fósseis, precisamos usar fontes de energia renováveis, como energia sun e eólica. Mas como o sol e o vento nem sempre estão por perto quando precisamos de energia, precisamos armazenar a energia que eles fornecem quando precisamos. Isso significa que nossas casas, cidades e até a rede elétrica precisarão de baterias, que são muito, muito grandes.

Essas baterias não terão necessariamente as mesmas necessidades que as baterias usadas em carros, assim como as baterias que usamos para carros não têm os mesmos requisitos que as baterias que alimentam nossos telefones. Afinal, uma bateria que armazena energia para sua casa não precisa ser particularmente leve – ela não se moverá – e também não precisa ser carregada rapidamente. Isso significa que essas baterias não precisam necessariamente de lítio e podem até ser alimentadas por alternativas emergentes, como sódio e zinco. Mas, embora essas baterias individuais não sejam todas iguais, todas elas desempenharão um papel crítico na alimentação do futuro e na desaceleração das mudanças climáticas.

Pelo menos por enquanto, de qualquer maneira. É certamente possível que, no futuro, possamos alimentar nossos carros com combustíveis futuristas, ou talvez até reatores nucleares portáteis. Mas todos os sinais indicam que essas tecnologias não estarão prontas em breve. Por enquanto, a bateria é a melhor que temos.