Um novo estudo mostra que uma bateria comercial de iões de sódio produzida por uma empresa chinesa pode competir com a bateria de iões de lítio da Tesla em termos de consistência de fabrico e múltiplos indicadores-chave de desempenho, abrindo perspectivas para esta nova tecnologia de bateria de baixo custo acelerar a sua aplicação em veículos eléctricos e armazenamento de energia na rede. A equipa de investigação salientou que, se mais avanços puderem ser feitos nas capacidades de carregamento a baixa temperatura e na densidade energética, espera-se que as baterias de iões de sódio se tornem uma alternativa mais económica em veículos eléctricos e sistemas de armazenamento de energia em grande escala.
O estudo, publicado na Cell Reports Physical Science, uma revista da Cell Press, baseia-se numa bateria comercial de iões de sódio que tem sido utilizada em automóveis de passageiros e em projetos de armazenamento de energia em grande escala na China. Os resultados mostram que esta bateria lançada pela empresa chinesa Hina está próxima do nível das baterias de iões de lítio atualmente utilizadas pela Tesla em termos de uniformidade do processo de fabrico e desempenho global. Os pesquisadores acreditam que a descoberta significa que a industrialização da tecnologia de íons de sódio será mais rápida do que muitos na indústria esperavam anteriormente.
Moritz Schütte, pesquisador de baterias da Universidade RWTH Aachen, na Alemanha, disse que a consistência, o desempenho de alta taxa e o desempenho de baixa temperatura deste lote de células os tornam atraentes para armazenamento estacionário de energia, serviços auxiliares de rede e veículos comerciais ou de curta distância que são relativamente insensíveis aos requisitos de resistência, mas estão mais preocupados com custos e fornecimento de recursos. No nível do material, a tecnologia de íons de sódio usa sódio em vez de lítio como íon principal que transporta corrente. Com a ajuda do sódio, um elemento amplamente existente e mais abundante, espera-se reduzir significativamente o custo das matérias-primas para baterias e aliviar os riscos da cadeia de abastecimento a longo prazo.
Para avaliar a lacuna entre esta bateria de íons de sódio Zhongke Hainan e a avançada bateria de lítio da Tesla, a equipe de pesquisa conduziu um teste sistemático em 120 células e usou métodos de teste não destrutivos, como espectroscopia de impedância eletroquímica, para avaliar sua consistência de fabricação. A equipe então testou a potência e a produção de energia das células da bateria em diferentes taxas de carregamento e temperaturas variando de -20°C a 45°C em condições que simulavam o uso na vida real. Por meio de imagens de raios X e análise de desmontagem, os pesquisadores também caracterizaram cuidadosamente a estrutura interna da bateria, o tamanho da peça polar, a composição do material e as características microscópicas.
Os resultados da análise mostram que o projeto estrutural da bateria de íons de sódio é bastante maduro, utilizando projetos como orelhas sem eletrodo e coletores duplos de corrente de alumínio para reduzir a resistência interna e melhorar a uniformidade da distribuição de temperatura. Seu layout geral é altamente semelhante à atual arquitetura de bateria Tesla. Schütte afirmou sem rodeios que a equipe ficou “agradavelmente surpresa” com a consistência deste lote de células, acreditando que seu nível de fabricação excedeu em muito a impressão tradicional dos “primeiros produtos comerciais de íon de sódio”. Em taxas elevadas, as capacidades de produção da bateria de íons de sódio também são melhores do que os pesquisadores normalmente esperavam para os primeiros produtos comerciais.
Apesar do seu desempenho impressionante, a investigação também aponta que a bateria de iões de sódio ainda apresenta deficiências importantes em comparação com as baterias de iões de lítio de topo de gama. Em termos de carregamento em baixa temperatura, o desempenho da bateria ainda é insuficiente. Aplicações que frequentemente carregam sob condições de baixa temperatura ambiente exigem estratégias de gerenciamento térmico e planos de operação mais sofisticados. A equipe de pesquisa também detectou conteúdo de cobre anormalmente alto e distribuído de forma desigual em áreas locais do cátodo, o que levantou mais questões sobre seu papel no desempenho a longo prazo e no comportamento de envelhecimento.
Actualmente, as baterias comerciais de iões de sódio ainda estão atrás dos produtos de iões de lítio mais avançados em termos de densidade energética, e a maturidade das tecnologias relacionadas também é relativamente baixa. No entanto, pesquisas mostram que esse tipo de bateria ainda pode manter um bom desempenho de saída em ambientes de baixa temperatura e alta carga, proporcionando vantagens potenciais no armazenamento estacionário de energia e em aplicações de veículos que operam em áreas frias. Schütte disse que, no futuro, a atratividade da tecnologia de íons de sódio será ainda maior se ela puder manter uma densidade energética competitiva e, ao mesmo tempo, livrar-se da dependência de metais como o níquel e o cobre.
Na próxima etapa, a equipe de pesquisa planeja se concentrar em melhorar o comportamento de carregamento das baterias de íons de sódio em ambientes abaixo de 0°C para obter um carregamento mais seguro e eficiente sob condições de frio intenso. Em termos de sistemas de materiais, melhorar as fórmulas de ânodos e eletrólitos de carbono duro é considerada uma das direções mais promissoras. Pesquisas relevantes foram financiadas pelo Ministério Federal Alemão de Pesquisa, Tecnologia e Espaço e pelo Ministério Federal de Economia e Energia, mostrando que a pesquisa científica europeia e os departamentos governamentais estão prestando muita atenção ao potencial das rotas de íons de sódio no cenário da tecnologia de baterias da próxima geração.