Da matéria-prima à bateria de automóvel (quase) acabada
Investigação sobre baterias: projeto bem sucedido da UE "SeNSE"
Num projeto europeu de quatro anos liderado pela Empa, onze equipas de investigação e da indústria conseguiram melhorar significativamente as baterias para carros eléctricos. Um dos principais objectivos do projeto era aumentar a escala dos novos materiais e tecnologias para que pudessem ser introduzidos no mercado o mais rapidamente possível.
As novas células de iões de lítio são mais sustentáveis, mais seguras e têm uma maior densidade energética.
SeNSE Consortium
A partir de 2035, não serão vendidos mais automóveis novos com motores de combustão na Europa. Para atingir este objetivo ambicioso, é necessário sobretudo uma coisa: melhores baterias para que os carros eléctricos carreguem mais depressa, percorram distâncias mais longas e tenham uma pegada ecológica menor. Um grande número de grandes projectos de investigação está a apoiar a indústria automóvel e de baterias no desenvolvimento das baterias do futuro. Um deles, o projeto Horizonte 2020 denominado "SeNSE", foi concluído com êxito no início de 2024.
O projeto de quatro anos da UE, com um orçamento total de mais de 10 milhões de euros, foi iniciado e liderado por investigadores do laboratório "Materiais para Conversão de Energia" da Empa. Na altura do convite à apresentação de propostas, este laboratório relativamente jovem era ainda pouco conhecido no domínio da investigação sobre baterias. O chefe do laboratório, Corsin Battaglia, sabia que, para fazer parte de um projeto europeu de baterias, ele e os seus investigadores teriam de criar um. Conseguiram: Battaglia e o seu colega Ruben-Simon Kühnel conseguiram reunir instituições académicas e empresas industriais de todo o mundo e ganharam o concurso.
Tecnologias para os dias de hoje
O objetivo do "SeNSE" era simultaneamente pragmático e ambicioso. As onze equipas queriam desenvolver soluções para a próxima geração de baterias de iões de lítio - a próxima geração, sublinha Battaglia, e não a próxima, mas uma. Por outras palavras: No final do projeto, os materiais e as tecnologias desenvolvidas devem estar o mais próximo possível da produção à escala industrial e, por conseguinte, da utilização em automóveis eléctricos. "Estamos também a investigar tecnologias de baterias que são potencialmente muito melhores do que as baterias de iões de lítio - mais sustentáveis, mais seguras e com uma maior densidade energética", diz Battaglia. "Mas ainda faltam alguns anos para que possam ser produzidas industrialmente. No 'SeNSE', queríamos desenvolver tecnologias que pudessem ser instaladas em carros eléctricos prontos para o mercado dentro de poucos anos".
Para o conseguir, os membros do projeto percorreram quase toda a cadeia de valor da produção de baterias em apenas quatro anos: desde o desenvolvimento de novos materiais e o seu aumento de escala até à sua instalação em células de bateria. As células, que têm aproximadamente o tamanho de um smartphone, foram fabricadas pelo Instituto Austríaco de Tecnologia (AIT). A FPT Motorenforschung AG, o centro de inovação da marca FPT Industrial, que faz parte do Grupo Iveco, foi então capaz de as instalar num módulo pronto a usar, tal como é instalado num veículo elétrico - incluindo a eletrónica e o software associados.
Todos os componentes mais desenvolvidos
O módulo "SeNSE" apresenta várias melhorias em relação às baterias actuais: Uma maior densidade energética e um equilíbrio ambiental mais favorável, capacidade de carregamento rápido e maior segurança contra incêndios - e, claro, uma boa relação custo-benefício. Todos os componentes principais da bateria foram desenvolvidos no projeto. O cátodo contém apenas metade da matéria-prima crítica, o cobalto, do que as baterias actuais. No ânodo, as equipas do projeto conseguiram substituir parte da grafite - também classificada como crítica precisamente devido à produção de baterias - por silício, um dos elementos mais comuns na crosta terrestre.
O eletrólito - o líquido que transfere os iões entre os eléctrodos e permite assim carregar e descarregar a bateria - foi também melhorado. Os investigadores da Empa desempenharam um papel de liderança neste domínio. "Os electrólitos convencionais são inflamáveis", explica Kühnel, investigador da Empa. "Conseguimos reduzir bastante a inflamabilidade utilizando certos aditivos sem prejudicar a condutividade, que é fundamental para o carregamento e descarregamento rápidos". Para melhorar ainda mais a capacidade de carregamento rápido, a Universidade de Coventry e a FPT Motorenforschung AG também desenvolveram um sofisticado sistema de gestão da temperatura para o módulo piloto. Os sensores incorporados diretamente nas células monitorizam a temperatura no interior da bateria em tempo real. Um algoritmo especialmente desenvolvido pode então carregar a célula sempre com a rapidez suficiente para evitar que seja danificada por sobreaquecimento.
Battaglia e Kühnel referem a escalabilidade e a transferência direta para a indústria como o maior sucesso do projeto. As empresas industriais envolvidas já conseguiram registar várias patentes para os novos desenvolvimentos do "SeNSE", construir unidades de produção piloto e assegurar o financiamento de investidores, bem como incorporar os conhecimentos adquiridos noutras tecnologias de baterias. A empresa química Huntsman chegou mesmo a colocar no mercado o aditivo de chumbo utilizado nos eléctrodos "SeNSE", que está agora disponível para os fabricantes de baterias.
O próximo passo
Este caminho para o sucesso não foi isento de obstáculos. Para além dos grandes desafios organizacionais colocados pela pandemia, pela instabilidade das cadeias de abastecimento e pelo aumento dos preços das matérias-primas e da energia, houve também dificuldades técnicas. Por exemplo, as células do protótipo ainda não são tão estáveis como a equipa do projeto gostaria que fossem. O aumento de escala, embora bem sucedido, também está longe de estar completo. "Todos os novos desenvolvimentos foram escalados do laboratório para a escala piloto", diz Battaglia. "Para a produção numa chamada gigafábrica, por exemplo, do nosso parceiro de projeto Northvolt, com uma capacidade de produção anual de vários gigawatts-hora de baterias, toda a produção de materiais teria de ser novamente aumentada por um fator de 1000". Para tal, é necessário o empenhamento da indústria.
Entretanto, os investigadores da Empa já estão a voltar a sua atenção para o próximo projeto europeu de baterias. O "SeNSE" tinha três projectos irmãos que foram financiados no mesmo concurso. "Fundámos um grupo conjunto para a investigação de baterias e trocamos regularmente informações", diz Kühnel. Os coordenadores dos quatro projectos lançaram agora um projeto de investigação conjunto no âmbito do programa "Horizon Europe", denominado "IntelLiGent". O objetivo é desenvolver células de alta tensão sem cobalto para automóveis eléctricos.
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