O lítio é fundamental para a tecnologia atual de baterias e de próxima geração

A tecnologia de baterias é uma prioridade, conforme a demanda por eletrônicos de consumo, armazenamento de energia e, especialmente, em vista da expansão de veículos elétricos. As químicas as baterias de veículos elétricos variam muito, e os fabricantes de baterias continuam a experimentar com diferentes combinações para otimizar o desempenho. Entretanto, existe um aspecto comum para todos os projetos de baterias comercialmente viáveis para veículos elétricos: lítio. Além dos casos de uso atuais, a proeminência do lítio nas cadeias de suprimentos deve permanecer intacta para as tecnologias de próxima geração. Esperamos que o crescimento destas tecnologias, particularmente no espaço da mobilidade, continue a criar oportunidades atraentes para empresas no campo de tecnologia de bateria e lítio.

Este artigo faz parte de uma série que se aprofunda na versão deste ano de nosso artigo de pesquisa principal, Navegando a disrupção.

Principais conclusões

• O lítio é um ingrediente quase onipresente nos cátodos atuais das baterias de íons de lítio.
• O estado sólido, que pode representar a próxima grande inovação em tecnologia de baterias, deve incorporar lítio tanto no cátodo quanto no ânodo.
• Existe um mercado para substitutos de íons de lítio, embora nós acreditamos que estas tecnologias provavelmente não interromperão de forma significativa a demanda por lítio.

Os cátodos atuais estão impulsionando a demanda por lítio nas baterias atuais

Quase todos os veículos elétricos puros e híbridos plug-in no mercado hoje exigem uma bateria de íons de lítio de algum tipo. Em comparação com outros tipos de baterias recarregáveis, como as de hidretos metálicos de níquel e baterias de chumbo-ácido, as baterias de íons de lítio oferecem uma maior densidade de energia, menor auto-descarga e uma vida útil mais longa.¹ O lítio também é quimicamente ideal porque o metal libera elétrons rapidamente, sob as condições certas. Esta propriedade é necessária para as reações de intercalação que administram as cargas dentro de uma bateria. Coloque tudo isso junto e as baterias de íons de lítio podem armazenar uma energia considerável em um pacote leve, ao mesmo tempo em que apresentam propriedades comercialmente viáveis para a recarga de veículos elétricos.

Os principais componentes das baterias de íons de lítio são um cátodo, um ânodo, um eletrólito líquido e um separador. Na maioria dos designs atuais, o cátodo abriga o lítio durante o estado ocioso da bateria. Como os cátodos determinam o alcance e respondem pela maior parte do custo da célula geral, as baterias EV são frequentemente classificadas com base no conteúdo do cátodo.² Atualmente, dois dos tipos principais de cátodo são os de fosfatos de ferro e lítio (LFPs) à base de níquel. Os cátodos à base de níquel suportam densidades maiores de energia, o que resulta em maiores velocidades e alcances mais longos para os veículos elétricos.

De fato, as melhorias de alcance que ajudaram a aumentar a popularidade de veículos elétricos nos últimos anos são amplamente atribuíveis à inovação em baterias à base de níquel. Entretanto, tecnologia de LFP legada está recuperando a participação de mercado devido à proliferação da infraestrutura de carregamento. O carregamento conveniente pode fazer com que o menor alcance associado às baterias LFPs seja uma compensação favorável para custos comparativamente mais baixos e longevidade superior.

Hoje, as três químicas de bateria mais comuns em EVs são LFP, NMC811 e NMC622.³ Juntos, esses três produtos químicos respondem por cerca de 75% dos cátodos usados em veículos de todas as classes, globalmente.⁴ É importante observar que todas as químicas de cátodo mencionadas nesta seção e indicadas no gráfico abaixo exigem a presença de lítio.

A tecnologia de bateria de estado sólido provavelmente manterá a demanda de lítio

Várias montadoras de automóveis e start-ups estão correndo para desenvolver a tecnologia de bateria de estado sólido, frequentemente anunciada como a próxima geração de tecnologia de baterias de veículos de elétrico. Baterias de estado sólidos substituem os eletrólitos líquidos e os separadores de gel de polímero usados nas atuais baterias de íons de lítio por um separador sólido. Os possíveis benefícios de designs de estado sólido incluem a capacidade de carregamento rápido, alcance maior, vida útil mais longa e segurança aprimorada.⁵ Muitos projetos de bateria de estado sólido expandem o uso de lítio em toda a célula.

Geralmente, os designs de estado sólido se aproveitam dos cátodos de íons de lítio tradicionais, embora as empresas líderes em design de estado sólido, como QuantumScape e Solid Power, possam mudar radicalmente a composição dos ânodos da bateria. Os designs de estado sólido que estas empresas estão desenvolvendo poderiam substituir o ânodo convencional por uma folha mais leve de metal de lítio. Menos de 1% das baterias de íons de lítio hoje contém lítio em seus ânodos.⁶ Ao invés disso, a vasta maioria destes ânodos são feitos de grafite natural ou sintético. A adoção de ânodos de metal de lítio pode aumentar a densidade de energia, ao mesmo tempo em que reduz o tamanho e o custo do pacote geral. As montadoras automotivas já estão testando baterias de estado sólido, que podem chegar ao mercado de veículos elétricos em 2025.⁷

Alternativas de lítio têm um papel a desempenhar, mas é improvável que reduzam a demanda de lítio

Certos substitutos diretos do lítio podem desempenhar um papel complementar na eletrificação da rede e no segmento de mobilidade. O íon de sódio é um exemplo de uma tecnologia de bateria comparável que não inclui lítio. A empresa chinesa de tecnologia de baterias HiNa Battery opera a única instalação de íons de sódio em escala comercial, que foi inaugurada em novembro de 2022.⁸ As baterias da HiNa apresentam uma densidade de energia de 145Wh/kg, significativamente menor que 200–275Wh/kg para a maioria das baterias à base de níquel em veículos elétricos atualmente.^9,10 Mesmo após um desenvolvimento posterior, é provável que o íon de sódio ofereça menos densidade de energia gravimétrica do que as atuais baterias de íons de lítio de última geração, sem mencionar os futuros cátodos ou células de estado sólido.¹¹ Desta forma, esperamos que as baterias de íons de sódio sejam mais práticas para o armazenamento de energia ou equipamentos eletrônicos menores do que as baterias presentes em veículos elétricos.

Células de combustível de hidrogênio são outra tecnologia que pode desempenhar um papel importante nos esforços de descarbonização. Nestas células de combustível ocorre uma reação eletroquímica que mistura hidrogênio com oxigênio para produzir eletricidade, apenas com calor e vapor de água como subprodutos. O hidrogênio já alimenta alguns veículos elétricos leves com célula de combustível (FCEVs); porém esperamos que a maior parte da oportunidade para células de combustível esteja em transporte pesado e energia estacionária. Conforme o tamanho da aplicação aumenta, também aumenta a vantagem comparativa de se usar um combustível leve como o hidrogênio. Acreditamos que as baterias continuarão a ser a tecnologia ideal para eletrificar veículos graças a sua eficiência, iniciativa da indústria e infraestrutura existente ou planejada. Como referência, a Agência Internacional de Energia estima que 6 milhões de FCEVs passarão a ser utilizados até 2030, em comparação com o estoque global de veículos elétricos de cerca 350 milhões neste momento.^12,13

Conclusão: Expectativa de que o lítio permaneça sendo o padrão na tecnologia de baterias

Seja por causa do LFP atual e dos cátodos à base de níquel ou da tecnologia de estado sólido de última geração, é improvável que um substituto para o lítio apareça tão cedo. Embora as alternativas como íons de sódio ou hidrogênio possam ajudar nos esforços de descarbonização, não esperamos que estas tecnologias venham a substituir o lítio de maneira significativa, especialmente no campo dos veículos elétricos.