Resumo:
Os pesquisadores estão tentando aproveitar a tecnologia da fabricação de chips semicondutores para resolver desafios de longa data na fabricação e no desempenho da próxima geração de baterias de veículos elétricos. Ao aplicar métodos de processamento de precisão originalmente usados para fabricar componentes microeletrônicos em materiais de baterias, os cientistas esperam criar componentes de baterias mais finos, mais uniformes e mais estruturalmente estáveis, melhorando assim ainda mais a resistência, a velocidade de carregamento e a vida útil da bateria dos veículos elétricos.
Após décadas de desenvolvimento, as baterias tradicionais de íons de lítio fizeram grandes progressos em densidade de energia, custo e confiabilidade, mas é cada vez mais difícil melhorar ainda mais o desempenho. Ao mesmo tempo, os requisitos para baterias em veículos eléctricos também estão a aumentar. As montadoras esperam que as baterias possam armazenar mais energia, suportar carregamento mais rápido e também tenham maior segurança e maior vida útil.
As baterias de estado sólido são, portanto, consideradas uma das direções importantes para a próxima geração de tecnologia de baterias. Ao contrário das baterias tradicionais de iões de lítio, que utilizam eletrólitos líquidos, as baterias de estado sólido utilizam eletrólitos sólidos, que deverão aumentar a densidade de energia e reduzir o risco de fuga de eletrólito líquido e incêndio. Alguns projetos podem, teoricamente, atingir densidades de energia de cerca de 500 Wh/kg, enquanto as atuais baterias de íons de lítio que usam eletrólitos líquidos ficam normalmente em torno de 300 Wh/kg.
Mas as baterias de estado sólido ainda enfrentam um problema muito espinhoso quando se trata de comercialização em larga escala: o material é muito frágil.
Durante o processo de carga e descarga da bateria, os íons de lítio continuarão a se mover dentro do material do eletrodo, fazendo com que o eletrodo se expanda e contraia repetidamente. À medida que o número de ciclos aumenta, podem ocorrer lacunas, fissuras e até deformações entre diferentes materiais, dificultando em última análise o movimento normal dos iões de lítio e fazendo com que a capacidade da bateria e o desempenho da energia diminuam gradualmente.
Os pesquisadores começaram, portanto, a procurar maneiras de controlar com mais precisão a estrutura interna das baterias, e a tecnologia de fabricação de semicondutores forneceu um conjunto de ferramentas maduras que podem controlar a estrutura do material em escala nanométrica após décadas de desenvolvimento.
Uma das principais vantagens da indústria de fabricação de chips é a capacidade de criar estruturas altamente regulares em escalas extremamente pequenas. Transistores e estruturas de interconexão em chips avançados tornaram-se tão pequenos quanto nanômetros, e o processo de fabricação requer controle preciso da deposição de material, gravação, padronização e estruturas intercamadas. Os pesquisadores esperam aplicar ideias semelhantes à fabricação de baterias e reduzir defeitos que são difíceis de controlar no processo de fabricação tradicional por meio de um projeto estrutural mais refinado dos materiais da bateria.
Uma das principais direções é usar métodos semelhantes ao processamento de wafers semicondutores para criar estruturas de camada fina em baterias. Ao contrário da fabricação tradicional de baterias, que depende principalmente de revestimento, prensagem e secagem, o processo de fabricação de chips pode formar um filme em nanoescala altamente uniforme na superfície do material e controlar com precisão a interface entre diferentes materiais.
Essa capacidade é especialmente importante para baterias de estado sólido, porque a interface entre os materiais sólidos determina diretamente se os íons de lítio podem passar suavemente. Se houver pequenas rachaduras, vazios ou distribuição irregular de material na interface, isso poderá aumentar a resistência à transmissão de íons e reduzir o desempenho da bateria.
Os pesquisadores esperam usar a deposição de filme fino e a tecnologia de processamento micro-nano no campo da fabricação de semicondutores para construir um eletrodo mais uniforme e uma estrutura eletrolítica dentro da bateria, reduzindo assim o estresse mecânico gerado durante a carga e a descarga.
Essa ideia não é simplesmente transferir um conjunto completo de linhas de produção de chips para a fábrica de baterias, mas selecionar processos e equipamentos adequados para a fabricação de baterias. Como existem enormes diferenças em materiais, tamanho e escala de produção entre baterias e chips, o custo de produção de baterias inteiramente utilizando métodos de fabricação de semicondutores provavelmente será inaceitavelmente alto.
A solução com real significado comercial é usar os princípios de processamento micro-nano que foram comprovados pela indústria de chips e redesenhar o processo para que ele possa se adaptar à fabricação de grandes áreas, alto rendimento e baixo custo exigida pelas baterias.
Este é um dos principais desafios enfrentados atualmente pelos pesquisadores. Os wafers de chip geralmente têm apenas dezenas de centímetros ou menos, enquanto a área do eletrodo de uma bateria de carro pode atingir vários metros quadrados. A produção de baterias também requer o processamento de grandes quantidades de materiais ativos, portanto, qualquer novo processo deve equilibrar a precisão em nanoescala com a eficiência da produção em escala industrial.
Os pesquisadores acreditam que, se esse problema de expansão puder ser resolvido, a experiência acumulada ao longo de décadas na indústria de fabricação de semicondutores poderá fornecer um novo caminho técnico para a indústria de baterias.
Ao mesmo tempo, os pesquisadores de baterias também estão tentando melhorar as estruturas dos eletrodos usando outras tecnologias avançadas de fabricação. Por exemplo, controlando com precisão a disposição das partículas do material do eletrodo, canais iônicos suficientes podem ser retidos enquanto aumenta a proporção de materiais ativos; controlando a estrutura dos poros, o eletrólito pode penetrar mais uniformemente no eletrodo.
Para baterias de estado sólido, a interface de controle é especialmente crítica. Os eletrólitos líquidos tradicionais podem preencher as pequenas lacunas entre os eletrodos, enquanto os eletrólitos sólidos não podem fluir sozinhos para essas áreas como os líquidos. Portanto, os eletrodos e os eletrólitos devem estar em muito bom contato durante a fase de fabricação.
As tecnologias de deposição de filmes finos, tratamento de superfície e padronização em nanoescala na tecnologia de fabricação de chips podem ajudar os pesquisadores a lidar com essas interfaces com mais precisão.
Uma transferência semelhante de tecnologia entre campos ocorreu na indústria de baterias. No passado, algumas empresas de baterias introduziram equipamentos e processos das indústrias de semicondutores, painéis de exibição e fabricação de filmes finos de precisão, porque essas indústrias também precisam criar estruturas de camada fina extremamente uniformes em substratos de grandes áreas.
Os pesquisadores também estão prestando atenção especial aos eletrodos de material de silício. O silício pode, teoricamente, armazenar muito mais lítio do que o grafite, por isso é considerado um material importante para melhorar a densidade de energia das baterias de íon-lítio. No entanto, o silício sofre alterações de volume muito significativas durante a carga e a descarga, o que pode facilmente causar a quebra da estrutura do eletrodo.
Se o material de silício puder ser projetado estruturalmente com mais precisão por meio da tecnologia de fabricação micro-nano, ele poderá reservar espaço para a expansão do material até certo ponto e melhorar o caminho de transmissão de elétrons e íons de lítio.
Essa ideia significa que a fabricação de baterias no futuro poderá se tornar cada vez mais uma "engenharia de materiais" altamente sofisticada. O desempenho da bateria não é mais determinado apenas pelas formulações químicas, mas também pela disposição dos materiais em nanoescala, pela estrutura da interface e pela distribuição dos poros.
Os investigadores esperam eventualmente conseguir uma forma mais precisa de fabricar baterias: controlando a espessura de cada camada de material, o contacto entre cada material e o caminho do movimento dos iões à escala microscópica, mantendo ao mesmo tempo uma eficiência de produção suficientemente elevada à escala macroscópica.
Se for bem-sucedido, esse tipo de tecnologia poderá melhorar vários parâmetros da bateria simultaneamente. Uma estrutura mais uniforme pode reduzir a resistência interna e aumentar a velocidade de carregamento; uma interface mais estável pode reduzir rachaduras e derramamento de material durante o ciclismo, prolongando assim a vida útil da bateria; uma proporção maior de materiais ativos tem a oportunidade de aumentar a energia armazenada por unidade de peso.
No entanto, passar da tecnologia de laboratório para a indústria automotiva ainda requer um longo período de verificação. As baterias dos veículos eléctricos não só precisam de ser testadas centenas ou mesmo milhares de vezes em laboratório, como também devem ser capazes de suportar altas temperaturas, baixas temperaturas, vibrações, colisões e o stress mecânico constante que ocorre ao longo dos anos de utilização.
Mais importante ainda, qualquer novo processo de fabricação deve, em última análise, provar ser competitivo em termos de custos com as linhas de produção de baterias de íons de lítio estabelecidas. A produção de baterias automotivas é muito maior do que a da maioria dos produtos eletrônicos de ponta, portanto, mesmo que uma tecnologia possa atingir uma precisão nanométrica extremamente alta, será difícil entrar verdadeiramente na indústria automotiva se a velocidade de produção for muito lenta ou o custo do equipamento for muito alto.
Portanto, em vez de tentar transformar uma bateria num chip gigante, os investigadores estão agora a recorrer ao que a indústria de semicondutores faz de melhor: controlar materiais e interfaces com uma precisão extremamente elevada.
Se essas tecnologias puderem eventualmente ser aplicadas em larga escala, as futuras baterias de veículos elétricos poderão ganhar capacidades de controle estrutural em nanoescala semelhantes às dos chips avançados durante o processo de fabricação. Isto pode não só promover a comercialização adicional de baterias de estado sólido, mas também melhorar o desempenho da próxima geração de baterias de iões de lítio, baterias de ânodo de silício e outras novas tecnologias de armazenamento de energia.
Para a indústria de veículos elétricos, a próxima rodada de competição em tecnologia de baterias pode não ser mais sobre encontrar um "novo material mágico", mas sobre como usar métodos de fabricação mais sofisticados para combinar materiais existentes em baterias com melhor desempenho. A experiência de processamento micro-nano acumulada pela indústria de fabricação de chips durante décadas está se tornando um importante conjunto de ferramentas técnicas que os pesquisadores de baterias estão tentando emprestar.
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