Uma startup chamada Material Hybrid Manufacturing está tentando usar “geometria” em vez de fórmulas químicas para impulsionar a próxima rodada da revolução das baterias. A empresa foi fundada em 2023 por Gabe Elias, engenheiro que já trabalhou para a equipe Mercedes-AMG F1 e Rivian. Ela desenvolveu um processo de impressão 3D que pode "imprimir" diretamente sistemas de bateria completos em várias superfícies e estruturas curvas, o que deverá quebrar as restrições das tradicionais células de bateria quadradas e cilíndricas no design do dispositivo.
No início deste ano, a Material recebeu um contrato de US$ 1,25 milhão da Força Aérea dos EUA para demonstrar a viabilidade desta tecnologia de bateria impressa em 3D para hardware de defesa e aeroespacial dentro de 18 meses, concentrando-se em demonstrar como "baterias deformáveis" que podem dobrar e se adaptar a superfícies estruturais podem desbloquear a liberdade de design. Neste caminho emergente, a empresa está a competir com concorrentes como a Sakuú, do Vale do Silício, e a Blackstone Technology, da Alemanha, para aproveitar a oportunidade de comercializar baterias impressas, visando especialmente cenários de pequenos sistemas onde "a forma determina a função".
A plataforma proprietária da Material, Hybrid3D, é capaz de imprimir todos os componentes principais de uma bateria – ânodo, cátodo, separador e revestimento – camada por camada – sem a necessidade de moldes ou ferramentas tradicionais. O sistema combina os princípios de impressão a jato de tinta de gravação direta e modelagem de deposição fundida para depositar sequencialmente materiais ativos com uma espessura de camada de 100 a 150 mícrons e, em seguida, injetar eletrólito líquido para completar o núcleo da bateria. A empresa também está atualmente desenvolvendo uma versão de estado sólido como forma de produto de acompanhamento.
Ao contrário dos modelos de fabricação tradicionais que dependem de invólucros de metal, barramentos e chicotes elétricos maciços, esse método de impressão pode integrar “invisivelmente” a bateria à estrutura existente. Nos drones, espera-se que as baterias sejam distribuídas ao longo das asas ou braços; em dispositivos vestíveis, as baterias podem ser curvadas e espalhadas ao longo das armações dos óculos inteligentes, em vez de serem um módulo de bateria de formato fixo. Em entrevista ao IEEE Spectrum, Elias disse que o processo Hybrid3D pode se adaptar a quase qualquer forma geométrica, permanecendo flexível no sistema químico da bateria. Ele pode alternar entre NMC 811, NMC 111, fosfato de ferro-lítio (LFP), titanato de lítio e outros sistemas alterando os materiais de entrada e os parâmetros do software.
A equipe fundadora da Material inicialmente se concentrou na indústria automotiva, na esperança de criar baterias personalizadas para veículos elétricos. Mas eles logo descobriram que todo o espaço de layout dos veículos elétricos é relativamente generoso. Por exemplo, a bateria de 135 kWh de uma picape Rivian pode acomodar mais de 7.700 células cilíndricas, portanto, os benefícios marginais da otimização do formato são limitados. Em contraste, pequenos drones, equipamentos individuais para soldados e equipamentos eletrônicos de consumo de nova geração enfrentam restrições de espaço mais rigorosas, e as baterias muitas vezes se tornam “adaptadores passivos”. Como disse Elias, vários componentes eletrônicos são constantemente incorporados, integrados e otimizados, mas a bateria é a única parte da equação que não evoluiu simultaneamente.
Para passar do conceito à prova de conceito, a Material fez parceria com o fabricante de drones Performance Drone Works (PDW) para modernizar um de seus drones com baterias. Embora ocupasse o mesmo volume da bateria original de 48 células, a bateria impressa pela Material alcançou um aumento de 50% na densidade de energia e um aumento de 35% na utilização do espaço interno. De acordo com os cálculos da equipa, espera-se que esta melhoria de eficiência se traduza na duplicação da distância de voo ou no aumento significativo da capacidade de carga útil, mantendo o mesmo alcance. Se a tecnologia for expandida ainda mais, a bateria poderá ser diretamente “escrita” na estrutura da carroceria ou mesmo na carcaça do motor, cancelando fundamentalmente o módulo da bateria no sentido tradicional.
Em cenários militares, o valor potencial desta tecnologia é particularmente óbvio: sistemas de fornecimento de energia individuais mais leves e ergonômicos e integração direta de fontes de alimentação em capacetes para fornecer suporte a equipamentos ópticos e sistemas de comunicação de alto desempenho. Elias lembrou que, quando trabalhava na Mercedes-AMG, tentou organizar as células da bateria ao redor do banco do piloto de F1 para otimizar a aerodinâmica e a distribuição de peso, mas acabou sendo arquivado porque a complexidade mecânica era muito alta. Essa experiência também contribuiu para a ideia posterior de fabricação aditiva de “fazer da bateria uma parte da estrutura”.
Na sua opinião, este é um caminho inevitável para continuar o conceito de "células diretamente ligadas a baterias" - desde a transformação de células em módulos, até diretamente em baterias, e agora para transformar ainda mais o armazenamento de energia em subsistemas estruturais em vez de componentes independentes. O primeiro dispositivo de impressão de nível comercial da Material tem um tamanho de plataforma de 550×350 mm, e a empresa já está desenvolvendo impressoras de formato maior para suportar a moldagem de componentes maiores. Isto também significa que o modelo de produção poderá sofrer mudanças fundamentais: no futuro, determinados produtos poderão passar diretamente de modelos CAD para objetos físicos, sem a necessidade de modificações dispendiosas na linha de produção e investimentos em moldes.
Elias destacou que os gigantes tradicionais da eletrônica de consumo também estão explorando soluções de baterias que possam caber na estrutura. Por exemplo, a Apple usou um grande número de baterias em forma de L e de formato especial em iPhones por meio de processos convencionais para liberar mais espaço dentro do corpo. Ele acredita que se formas geométricas semelhantes ou ainda mais complexas puderem ser realizadas por impressão, não apenas o custo deverá ser significativamente reduzido, mas a escalabilidade também será mais forte, o que será crucial para dispositivos vestíveis, como óculos inteligentes, que desejam levar em conta tanto a aparência quanto a vida útil da bateria no futuro.
Para que este conceito seja verdadeiramente implementado, o material ainda precisa continuar a polir a estabilidade do processo, especialmente as propriedades reológicas do material e o controle da espessura da camada. Ele precisa manter um alto grau de consistência em uma escala próxima à largura de um fio de cabelo humano para garantir rendimento e consistência de desempenho. Ainda assim, as perspectivas são atraentes do ponto de vista económico: uma vez maduras, as baterias impressas em 3D deverão cobrir uma vasta gama de preços, desde células individuais até baterias de vários quilowatts-hora, com os actuais preços de mercado para estas últimas variando entre aproximadamente 400 dólares e 3.000 dólares por quilowatt-hora.
Ao reduzir as peças e simplificar o processo de montagem, espera-se que as baterias impressas alcancem margens de lucro mais elevadas em aplicações complexas, como aeroespacial e defesa, que são particularmente sensíveis à forma e ao peso, porque nestes domínios, a integração estrutural e a flexibilidade são muitas vezes mais importantes do que o custo unitário puro. Para o Material, se o Hybrid3D se provar viável, o formato da bateria não será mais uma restrição ao design, mas se tornará parte do próprio design.