CATL: Células respiratórias / Li-air é a principal área de pesquisa no futuro. Densidades de energia várias vezes maiores

Wu Kai, principal cientista da CATL, maior fabricante de células de Li-ion do mundo, descreveu a tecnologia das células de lítio-ar, que literalmente respiram o oxigênio da atmosfera, como “o principal foco de pesquisas futuras da empresa”, segundo o portal Interested Engineering. Trata-se já não de células clássicas com eletrólito sólido, cuja densidade energética é de 1,5 a 2 vezes maior que a das células atuais, mas de produtos capazes de armazenar até quatro vezes mais energia na mesma massa.

Li-air. Na versão sólida da CATL: um sonho

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Li-air. Na versão sólida da CATL: um sonho

Li-air. Tecnologia antiga com muitos problemas sem solução

A densidade de energia quatro vezes maior (1,2 kWh/kg) não é um valor arbitrário, mas resultado de cálculos realizados por cientistas do Argonne National Lab nos Estados Unidos, que há vários anos testam protótipos de células Li-air. A bateria atual de um carro elétrico, com capacidade de cerca de 80 kWh e peso de meia tonelada, ao utilizar células Li-air poderia pesar aproximadamente 150 quilogramas mantendo a mesma capacidade. Ela também poderia chegar a 250 quilogramos, permitindo que o carro elétrico tenha autonomia semelhante à de um modelo concorrente a combustão, com exatamente o mesmo peso e distribuição mais otimizada (mais baixa em relação ao solo).

Estrutura da célula Li-air (c) ANL

A densidade energética da gasolina é de 12,9 kWh/kg. A densidade energética teórica máxima das células Li-air é quase igual à da lítio puro, ou seja, cerca de 11,1 kWh/kg, mas, na prática, não foi possível alcançar mais do que aproximadamente 1/7 desse valor (~1,7 kWh/kg; fonte). O limite aqui é o próprio lítio, que ultrapassa a célula ao longo das vias de íons (dendritos), o que leva a curtos-circuitos quando há quantidade excessiva. Isso parece ruim em comparação com a gasolina, mas é preciso lembrar que, na eletricidade, cerca de 80-90% da energia armazenada chega às rodas, enquanto nos carros a combustão o rendimento é de aproximadamente 25-30% (3,2-3,9 kWh/kg).

Li-air. Uma tecnologia antiga com muitos problemas não resolvidos

O maior problema das células Li-air é sua baixa vida útil. O lítio puro que compõe a ânodo reage com o eletrólito, o que gera a formação de uma camada de óxido, hidróxido e carbonato de lítio que, inicialmente, protege a eletróda contra maior corrosão, mas, com o tempo, bloqueia o fluxo de íons. O acesso livre ao ar – veja o nome; a oxidação é condição para o fluxo de elétrons – faz com que compostos semelhantes possam se formar em qualquer parte da célula onde há lítio. Está sendo considerado o uso de revestimentos rígidos que cubram a ânodo, permitindo o fluxo de íons, mas impedindo a reação com os fatores atmosféricos e, ao mesmo tempo, bloqueando o crescimento de dendritos (compare: eletrólitos sólidos).

Bateria CATL Shenxing Pro. No caso do uso de células Li-air, será necessária uma conexão adicional para fornecer ar, e se for preciso carregá-la rapidamente, também será necessário um compressor.

Já na cátodo, basta uma pequena quantidade de água para que o óxido de lítio se transforme em hidróxido de lítio, que corrói sua estrutura. Por isso, hoje, após décadas de pesquisas com baterias “respiratórias”, ainda não sabemos se o caminho melhor são eletrólitos à base de água (com ânodo isolado), nos quais óxidos e hidróxidos de lítio se misturam livremente, ou então eletrólitos protônicos (aproticos), que não dissolvem óxidos (portanto não formam hidróxidos), mas causam o entupimento da cátodo.

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