Uma nova combinação química pode empurrar as baterias de lítio metálico para um nível de densidade energética muito acima do encontrado atualmente nos principais sistemas comerciais.
Pesquisadores do Tianmushan Lab e da Universidade Tsinghua desenvolveram células pouch de alta estabilidade capazes de alcançar a faixa de 600 Wh/kg.
O estudo foi publicado recentemente na Nature Communications e concentra-se principalmente no controle do eletrólito, um dos pontos mais delicados dessa tecnologia.
O avanço ganha importância diante do crescimento de drones e aeronaves elétricas de decolagem e pouso vertical, conhecidas como eVTOLs.
Esses setores dependem diretamente da autonomia, mas as baterias comerciais atuais com ânodos de grafite aproximam-se do limite teórico de aproximadamente 350 Wh/kg.
Essa barreira torna mais difícil aumentar significativamente o tempo de voo sem ampliar peso, volume ou outras exigências do conjunto energético instalado nas aeronaves.
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Baterias de lítio metálico surgem como alternativa graças à elevada capacidade do material usado no ânodo, permitindo teoricamente armazenar mais energia por quilograma.
O desafio está em combinar densidade energética elevada, longa vida útil e segurança durante ciclos repetidos, especialmente sob condições de operação com alta tensão.
Entre as dificuldades conhecidas estão a decomposição do eletrólito e a formação de dendritos de lítio, estruturas que prejudicam estabilidade e funcionamento ao longo do tempo.
Para lidar com esses pontos, a equipe criou um aditivo baseado em uma estrutura de solvatação com forte coordenação entre seus componentes.
Esse aditivo forma uma camada protetora fina e densa sobre o cátodo, reduzindo a degradação provocada pelos ciclos realizados em tensões elevadas.
Ao mesmo tempo, ele estabelece uma interface estável no ânodo de lítio metálico, ajudando a limitar o crescimento dos dendritos durante o funcionamento.
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A estrutura também melhora significativamente o transporte dos íons de lítio, fator importante para manter desempenho e estabilidade ao longo dos ciclos sucessivos.
Nos testes, células pouch de 10 Ah utilizando cátodos ternários com alto teor de níquel atingiram densidade energética de 550,7 Wh/kg.
Depois de 180 ciclos, essas células mantiveram 80% da capacidade original, resultado que mostra o equilíbrio buscado entre desempenho energético e durabilidade.
Outra combinação apresentou números ainda maiores ao empregar materiais de cátodo ricos em lítio e à base de manganês no mesmo conceito eletroquímico.
Nesse caso, a energia específica reversível chegou a 602,5 Wh/kg, mais de 50% acima do nível das principais baterias de tração utilizadas atualmente.
Apesar dos resultados, os próprios pesquisadores destacam que a tecnologia permanece em fase de pesquisa e ainda exige novas etapas de desenvolvimento técnico.
A produção em escala comercial dependerá de novas melhorias em estabilidade, processo industrial e repetibilidade antes que essas células possam chegar a aplicações de grande volume.
Como referência, a CATL trabalha com baterias de matéria condensada para eVTOLs que alcançam até 350 Wh/kg, embora apresentem custo considerado extremamente elevado.
Esse valor fica próximo do limite teórico atualmente associado às baterias de íons de lítio convencionais, reforçando a diferença apresentada pelo novo estudo acadêmico.
A CATL também pesquisa baterias de lítio-ar, uma tecnologia ainda mais distante da produção em massa, mas com potencial teórico de até 12.000 Wh/kg.
Esse número se aproxima da densidade energética da gasolina em termos teóricos, embora transformar essa possibilidade em uma bateria prática ainda represente um desafio muito maior.