Baterias de íon-lítio deram um grande passo ao serem usadas em um pequeno produto
Inovação

Baterias de íon-lítio deram um grande passo ao serem usadas em um pequeno produto

Os novos materiais de ânodo da Sila trouxeram muito mais energia para o Whoop, um dispositivo portátil de monitoramento fitness. A empresa espera em breve fazer o mesmo para os veículos elétricos.

A empresa de materiais eletrônicos, Sila, sediada em Alameda, Califórnia (EUA), passou a última década trabalhando para aumentar a energia armazenada em baterias de íon-lítio, um avanço que poderia permitir a criação de aparelhos menores e veículos elétricos com alcance muito maior.

Para isso, desenvolveram partículas à base de silício que podem substituir o grafite nos ânodos e reter mais íons de lítio que carregam a corrente em uma bateria.

Agora, a empresa está entregando seu produto ao mercado pela primeira vez, fornecendo uma parte do pó anódico na bateria do próximo Whoop 4.0, um dispositivo portátil de monitoramento fitness. Apesar de pequeno, é potencialmente um grande avanço para a área de baterias, onde resultados de laboratório promissores muitas vezes não se traduzem em sucesso comercial.

“Pense no Whoop 4.0 como nosso Tesla Roadster”, diz Gene Berdichevsky, CEO da Sila, que, como um dos primeiros funcionários da Tesla, ajudou a resolver alguns dos desafios críticos relacionados à bateria para o primeiro veículo elétrico da empresa. “É realmente o primeiro dispositivo no mercado a exibir essa inovação”.

Os materiais da empresa, com uma pequena ajuda de outros avanços, aumentaram a densidade de energia na bateria do aparelho fitness em cerca de 17%. Isso é um ganho significativo em um campo que geralmente avança de forma lenta, só alguns pontos percentuais por ano.

É equivalente a cerca de quatro anos de progresso padrão, “mas com um grande salto”, diz Venkat Viswanathan, professor associado de engenharia mecânica no Carnegie Mellon University.

A Sila ainda enfrenta alguns desafios técnicos reais, mas o avanço é um sinal promissor para o potencial de baterias, que estão cada vez mais capazes de ajudar o mundo a abandonar os combustíveis fósseis à medida que os perigos da mudança climática se aceleram. Aumentar a quantidade de energia que as baterias podem armazenar facilita o trabalho de abastecimento de fontes mais limpas de eletricidade em mais edifícios, veículos, fábricas e empresas.

Para o setor de transporte, uma bateria com maior densidade energética reduziria custos ou aumentaria o alcance dos veículos elétricos, atendendo a dois dos maiores problemas que muitas vezes desestimulam as pessoas a deixar de consumir gasolina. Ele também promete fornecer baterias de rede, que podem economizar mais energia de fazendas solares e eólicas, ou dispositivos que duram mais entre as cargas.

A densidade de energia é a chave para a “eletrificação de tudo”, diz Berdichevsky, que em 2017 participou da premiação da MIT Technology Review americana, “Inovadores com menos de 35 anos”.

No caso do novo wearable fitness, os novos materiais da bateria, assim como outras melhorias, possibilitaram que a Whoop, sediada em Boston, reduzisse o tamanho do dispositivo em 33% ao mesmo tempo em que proporcionava cinco dias de vida útil à bateria. O produto agora é pequeno o suficiente para ser usado junto à “roupas inteligentes”, além de servir como um relógio. Ele começou a ser comercializado no dia 8 de setembro.

A Sila, que anunciou US$ 590 milhões em financiamento em janeiro, também tem parcerias para desenvolver materiais de bateria para fabricantes de automóveis, incluindo BMW e Daimler. A empresa disse que sua tecnologia poderia eventualmente conter até 40% mais energia em baterias de íon de lítio.

Prevenção de incêndios

Berdichevsky foi contratado pela Tesla antes de seu último ano na Universidade de Stanford, onde estudava engenharia mecânica. Ele acabou desempenhando um papel fundamental na resolução de um risco potencialmente existencial para a empresa: o de que um incêndio, em qualquer uma das milhares de baterias armazenadas em um veículo, se alastrasse para todas as outras.

Ele criou um programa para avaliar sistematicamente uma série de designs de baterias. Depois de centenas de testes, a empresa desenvolveu uma combinação de arranjos de bateria, materiais de transferência de calor e canais de resfriamento, que evitou grande parte dos incêndios descontrolados.

Depois que a Tesla lançou o Roadster, Berdichevsky sentiu que deveria se comprometer por mais cinco anos para acompanhar o desenvolvimento do próximo veículo, o Modelo S, ou aproveitar a oportunidade para tentar algo novo.

No final, ele decidiu que queria construir algo próprio.

Gene Berdichevsky, CEO e cofundador da Sila. DAVID PAUL MORRIS / SILA

Berdichevsky voltou a Stanford para um mestrado, estudando materiais eletrônicos, termodinâmica e física, na esperança de encontrar maneiras de melhorar o armazenamento no nível mais básico. Depois de se formar, ele passou um ano como empresário residente na Sutter Hill Ventures, em busca de ideias que pudessem formar a base de seu próprio negócio.

Durante esse tempo, ele encontrou um artigo científico que identificava um método para produzir partículas à base de silício para ânodos de bateria de íon-lítio.

Os pesquisadores há muito veem o silício como uma forma promissora de aumentar a energia das baterias, porque seus átomos podem se ligar com 10 vezes mais íons de lítio por peso do que o grafite. Isso significa que eles retêm muito mais moléculas carregadas que produzem a corrente elétrica em uma bateria. Mas os ânodos de silício tendem a se desintegrar durante o carregamento, à medida que incham para acomodar os íons que vão e vêm entre os eletrodos.

O artigo, com coautoria do professor do Instituto de Tecnologia da Geórgia, Gleb Yushin, destacou a possibilidade de desenvolver materiais rígidos de silício com um núcleo poroso que poderiam aceitar e liberar mais facilmente os íons de lítio.

No ano seguinte, Berdichevsky fundou Sila com Yushin e Alex Jacobs, outro ex-engenheiro da Tesla.

Obstáculos e atrasos

A empresa passou a década seguinte ajustando seus métodos e materiais, trabalhando em mais de 50.000 iterações da química enquanto aumentava sua capacidade de fabricação. No início, ela decidiu desenvolver materiais de reposição que as fabricantes de baterias de íon-lítio pudessem usar, em vez de seguir o caminho mais caro e arriscado de produzir as baterias em si.

No entanto, Sila não está progredindo no ritmo que esperava inicialmente.

Depois de conseguir vários milhões de dólares da divisão ARPA-E do Departamento de Energia dos EUA, a empresa disse à agência de pesquisa que seus materiais poderiam estar disponíveis em produtos em 2017 e em veículos em 2020. Em 2018, quando Sila anunciou seu acordo com a BMW, disseram que suas partículas poderiam ajudar a fornecer energia aos veículos elétricos da montadora alemã até 2023.

Berdichevsky diz que a empresa agora espera estar com seus produtos disponíveis nos veículos em “mais ou menos 2025”. Ele diz que resolver os problemas da última milha foi simplesmente mais difícil do que eles esperavam. Os desafios incluíam trabalhar com fabricantes de baterias para obter o melhor desempenho dos novos materiais.

“Estávamos ingenuamente otimistas quanto aos desafios de dimensionar e trazer produtos ao mercado”, disse ele por e-mail.

As notícias do novo lançamento da Whoop sinalizam que Sila foi capaz de projetar as partículas de uma forma que ofereçam segurança, ciclos de vida e outros pontos de referência de desempenho de bateria semelhantes aos alcançados em produtos existentes.

Mas é importante destacar que as partículas de Sila fornecerão apenas cerca de 25% da capacidade no ânodo da bateria, com materiais de grafite padrão fornecendo o resto.

Viswanathan diz que o maior teste será substituir completamente o grafite, ao invés de apenas de forma parcial. Isso requer um maior nível de precisão e desempenho, que ele descreve como a diferença entre uma disputa por pênalti e ganhar o jogo.

Além disso, diz ele, a empresa ainda enfrenta desafios significativos, que vão desde dispositivos de consumo às demandas mais rigorosas de veículos elétricos. Carros, caminhões e ônibus precisam de baterias extremamente seguras, com alta densidade energética, que carreguem rapidamente e durem muitos ciclos de vida, entre outras coisas. O problema com a química da bateria é que melhorar os materiais e processos envolvidos em um padrão de desempenho muitas vezes pode prejudicar outros, diz Viswanathan.

Berdichevsky diz que os materiais da bateria de Sila substituirão totalmente o grafite em seu próximo produto comercial, que ele diz estar “fechado e pronto” com um parceiro que ele ainda não pode anunciar. E, ao contrário de outros materiais de bateria promissores que estão ganhando a atenção da imprensa e dos investidores atualmente, como o metal de lítio, os materiais de silício de Sila já estão disponíveis em produtos.

“Acreditamos fortemente que a esperança e o hype não mudam o mundo, mas o transporte sim”, diz ele.

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