A era do silício chegou… para baterias

Desde a estreia comercial das baterias de iões de lítio, há três décadas, esta tecnologia de armazenamento de energia portátil e de alta densidade (e vencedora do Prémio Nobel) revolucionou os campos da eletrónica de consumo, dos veículos elétricos e do armazenamento de energia em grande escala. E, no entanto, mesmo tendo em conta os vastos avanços da tecnologia – uma queda surpreendente de trinta vezes no preço entre 1991 e 2018, por exemplo – as maiores melhorias ocorreram principalmente no lado do cátodo de óxido metálico de lítio. Os ânodos de grafite das baterias de íon-lítio, por outro lado, permaneceram praticamente os mesmos.

O silício há muito é promissor como meio para ânodos, porque pode conter 10 vezes mais íons de lítio em peso que o grafite. Na verdade, o primeiro uso documentado do silício como ânodo de bateria de lítio é anterior ao do grafite – em sete anos. Mas as experiências com esse elemento têm sido atormentadas por desafios técnicos – incluindo a expansão do volume do ânodo quando carregado com iões de lítio e a fratura do material resultante que pode ocorrer quando um ânodo se expande e contrai.

Agora, porém, depois de cerca de 15 anos de melhorias incrementais e esperanças frustradas, finalmente chegou a hora do silício como material fundamental nas baterias.

“O silício transformou a forma como armazenamos informações e agora está transformando a forma como armazenamos energia.” –Rick Costantino, Group14

Alguns fabricantes de automóveis e startups de ânodos de silício uniram-se para produzir veículos elétricos de maior alcance e menor custo que poderão estar nas estradas em meados da década. A General Motors e a OneD Battery Sciences em Palo Alto, Califórnia, estão colocando a nanotecnologia de silício da OneD nas células de bateria Ultium da GM. O ânodo de silício da Sila Nanotechnologies, com sede em Alameda, Califórnia, que alimenta o rastreador de fitness Whoop desde 2021, estará no SUV Mercedes Classe G em 2026. Group14 Technologies, em Woodinville, Washington, deve ter sua bateria de silício configurada em um Porsche EV no próximo ano.

No final de 2022, o Group14, Sila e Amprius Technologies em Fremont, Califórnia, levantaram quase meio bilhão de dólares para comercializar seus materiais anódicos, com US$ 250 milhões do Departamento de Energia dos EUA e, para o Group14, outros US$ 214 milhões em investimento privado. . Todos os três planejam ter fábricas domésticas em escala de gigawatts em funcionamento nos próximos anos. O Group14 iniciou a construção de uma usina de 20 gigawatts em Moses Lake, Washington, em abril.

“O silício transformou a forma como armazenamos informações e agora está transformando a forma como armazenamos energia”, afirma o diretor de tecnologia do Group14, Rick Costantino.

O silício promete veículos elétricos de maior alcance, carregamento mais rápido e mais acessíveis do que aqueles cujas baterias apresentam os atuais ânodos de grafite. Ele não apenas absorve mais íons de lítio, mas também os transporta através da membrana da bateria com mais rapidez. E sendo o metal mais abundante na crosta terrestre, deveria ser mais barato e menos suscetível a problemas na cadeia de abastecimento. Do jeito que as coisas estão, quase todo o material do ânodo de grafite é processado na China.

A Tesla supostamente adicionou até 5% de silício nos ânodos de suas baterias. Mas as startups de ânodos de silício querem ir muito mais longe.

Quando os pesquisadores começaram a explorar o silício para ânodos de baterias de lítio - como observado acima, em 1976, antes que o grafite se tornasse a solução de compromisso - o drástico inchaço e encolhimento do silício durante a carga e a descarga desintegrou rapidamente o ânodo. E as reações colaterais adversas complicaram o processo durante o carregamento e também reduziram a vida útil da bateria.

Alguns fabricantes de baterias comerciais, incluindo a Tesla, aumentaram a capacidade de retenção de lítio dos ânodos das suas baterias adicionando uma pequena quantidade (geralmente até 5%) de silício. Mas as startups de ânodos de silício querem ir muito mais longe.

A maioria deles está olhando para o silício nanoprojetado como uma solução alternativa para os problemas de inchaço e reações colaterais. O professor de ciência de materiais de Stanford, Yi Cui, e seu laboratório iniciaram esse campo de pesquisa com um artigo de 2008 na Nature Nanotechnology sobre nanofios de silício que resistiam ao inchaço. Outros logo deram diferentes interpretações sobre isso, com nanopartículas esféricas de silício, partículas do tipo núcleo-invólucro compostas de núcleos de silício com revestimentos protetores ao seu redor e partículas de silício com superfícies gravadas.