Baterias liderando a carga no armazenamento de energia 

As baterias são equipamentos que fornecem armazenamento de energia e a liberam sob demanda. Enquanto as baterias do dia a dia geram energia elétrica por meio da conversão direta de energia química, o conceito de armazenamento de energia é bem ilustrado pela "bateria de água" de Nant de Drance, um sistema de armazenamento por bombeamento. Localizada nas altas montanhas dos Alpes Suíços, ela possui uma capacidade de armazenamento elétrico superior à de 400.000 baterias de carros elétricos.

Esta "bateria de água" funciona utilizando geradores hidrelétricos e reservatórios duplos, um superior e um inferior. Durante as horas de pico, a água do reservatório de maior altitude é liberada para gerar eletricidade. Quando há superprodução de energia, a água é bombeada de volta para o reservatório superior e armazenada para uso futuro. 

Embora seja um modelo fascinante, a "bateria de água" difere das baterias comuns e portáteis usadas para alimentar uma parte significativa da vida moderna cotidiana. As baterias convencionais são células ou séries de células eletroquímicas que produzem corrente elétrica. 

Poucas tecnologias são mais importantes na busca da indústria para reduzir as emissões de dióxido de carbono do que as baterias eletroquímicas. Elas alimentam veículos elétricos, armazenam eletricidade gerada por painéis solares e turbinas eólicas, e estabilizam a rede elétrica. Nas duas últimas aplicações, as baterias são essenciais para escalar economicamente as fontes de energia renováveis. 

Dado o impacto ambiental único das baterias, incluindo a mineração, o descarte e todo o ciclo de vida da produção, é necessário realizar uma análise aprofundada. Isso garante que a transição energética não troque um conjunto de problemas ambientais por outro igualmente prejudicial.

As baterias de célula eletroquímica são categorizadas em três classes principais: primárias, secundárias e terciárias, com várias construções de células dentro dessas categorias amplas. O uso de diferentes metais e eletrólitos dentro dessas classificações proporciona propriedades adequadas para diversos usos finais.

Também conhecidas como baterias de uso único, as baterias de célula primária não podem ser recarregadas e devem ser descartadas após o uso. Elas são frequentemente usadas em dispositivos portáteis, como lanternas e outros aparelhos eletrônicos de grande porte. Exemplos incluem pilhas secas, baterias alcalinas, células de zinco-carbono e pilhas de lítio primárias.

As baterias alcalinas são o tipo mais popular de bateria de uso único. A categoria mais econômica, essas baterias não recarregáveis mantêm uma taxa de descarga consistente ao longo de sua vida útil e oferecem desempenho confiável. No entanto, embora sejam convenientes, as baterias alcalinas não são ambientalmente amigáveis devido à sua natureza de uso único.

As baterias recarregáveis, também conhecidas como baterias secundárias, podem ser recarregadas e reutilizadas várias vezes. Ao contrário das baterias primárias, projetadas para uso único, as baterias secundárias utilizam um potencial elétrico externo para reverter a reação química de descarga, permitindo várias recargas e reutilizações. Essas células vêm em várias configurações químicas, incluindo chumbo-ácido, níquel-cádmio (Ni-Cd), níquel-hidreto metálico (Ni-MH) e lítio-íon (Li-ion). As baterias recarregáveis são geralmente mais caras do que as baterias primárias e algumas requerem manuseio adequado para evitar o superaquecimento, o que pode causar um incêndio ou até uma explosão.

As baterias terciárias são o tipo de bateria menos comum. Ao contrário das baterias primárias e secundárias, suas células são separadas de outros componentes até pouco antes da ativação. O eletrólito é o componente mais frequentemente isolado.

As baterias de reserva eliminam efetivamente a possibilidade de auto descarga e minimizam a deterioração química. A maioria das baterias de reserva é do tipo térmico e são usadas quase exclusivamente em aplicações militares.

O restante deste artigo se concentrará nas baterias recarregáveis de lítio-íon (Li-ion), que são o tipo mais comum.

As baterias de lítio-íon são o tipo preferido para uma ampla variedade de aplicações devido à sua longa vida útil, alta densidade de energia e características de voltagem desejáveis. A longa lista inclui pequenos aparelhos auditivos, celulares, computadores, bicicletas elétricas, veículos elétricos e até mesmo gigantescos sistemas de armazenamento de energia em escala de rede.

As baterias de lítio-íon geralmente utilizam materiais diferentes para o ânodo (eletrodo negativo) e o cátodo (eletrodo positivo). Qualquer material condutor, incluindo metais, semicondutores, grafite ou polímeros condutores, pode ser usado como eletrodo.

Os materiais do eletrodo positivo afetam significativamente o desempenho, a ciclagem e a vida útil das células de Li-ion. O eletrólito transporta os íons de lítio carregados positivamente entre o ânodo e o cátodo, enquanto o separador bloqueia o fluxo de elétrons dentro da bateria, permitindo que os íons de lítio passem por ele.

No ânodo, ocorre uma reação de oxidação que libera elétrons que se movem em direção à parte externa do circuito. A maioria das baterias de íon de lítio utiliza uma mistura de grafite como material do ânodo — uma combinação de grafite natural extraído da terra e grafite sintético, derivado do aquecimento do coque de petróleo. A mistura resultante possui uma estrutura em camadas, permitindo que os íons de lítio entrem nas camadas durante o processo de carga e saiam durante a descarga.

O cátodo é o eletrodo positivo de uma célula, onde ocorre uma reação química redutora. As baterias de Li-íon utilizam diversos materiais para o cátodo, incluindo óxido de cobalto de lítio, fosfato de ferro de lítio e óxido de níquel manganês cobalto de lítio. Esses materiais podem aceitar e ejetar íons de lítio de forma reversível em sua estrutura cristalina durante os ciclos de carga e descarga.

Os fabricantes de baterias de lítio-íon devem obter minerais de alta qualidade e pureza excepcional. Consequentemente, mais da metade do custo de fabricação das baterias de lítio-íon está no cátodo e no ânodo. A montagem do cátodo, separador, ânodos e coletores de corrente também exige etapas de montagem precisas, incluindo o posicionamento das camadas individuais e o embrulho.

As baterias de íons de lítio (Li-ion) existem há cerca de 30 anos e experimentaram um crescimento exponencial durante esse período.

No entanto, outras químicas de baterias recarregáveis, como as de chumbo-ácido, Ni-Cd e Ni-MH, existem há mais de um século. Cada uma delas possui suas próprias vantagens e desvantagens, como destacado nas seções a seguir.

As baterias de chumbo-ácido existem desde o final do século XIX e ainda são amplamente utilizadas hoje em dia. Essas baterias são econômicas, recicláveis e não exigem sistemas complexos de gerenciamento para manutenção. No entanto, elas têm uma baixa energia específica e um número limitado de ciclos em comparação com outros tipos. As baterias de chumbo-ácido são usadas para alimentar cadeiras de rodas, carrinhos de golfe, iluminação de emergência e carros com motores de combustão interna. Devido à presença de chumbo, uma toxina conhecida, eles devem ser descartados de forma profissional ao final de sua vida útil.

As baterias de Ni-Cd consistem em hidróxido de óxido de níquel, eletrodos de cádmio metálico e um eletrólito alcalino de hidróxido de potássio. Um de seus principais benefícios é a capacidade de carregamento rápido, mas a desvantagem associada é a alta taxa de autodescarga. Além disso, o cádmio, assim como o chumbo, é tóxico.

As baterias de Ni-MH oferecem melhorias graduais em relação às de Ni-Cd, incluindo um aumento de 30% na densidade de carga por volume e uma autodescarga muito mais lenta. No entanto, elas demoram mais para carregar e são especialmente propensas à degradação da capacidade com recargas repetidas.

Comparadas a outras químicas de baterias recarregáveis, as baterias de íons de lítio são um desenvolvimento moderno. Elas apresentam uma combinação incomparável de alta densidade de energia e potência, além de uma excelente relação peso-energia em comparação com os três tipos anteriores. No entanto, as baterias de íons de lítio são extremamente inflamáveis, o que exige um circuito de proteção e manuseio cuidadoso.

Espera-se que novas gerações de baterias avançadas de íons de lítio estejam no horizonte próximo. Por exemplo, as baterias de lítio-enxofre, onde o ânodo de lítio é consumido e o enxofre é transformado em uma variedade de compostos químicos. As baterias de estado sólido também têm potencial, mas esse conceito ainda precisa sair do laboratório para alcançar a viabilidade comercial.

Em meio à nossa grande transição energética, o futuro das baterias nos impacta a todos. Isso inclui os materiais utilizados, de onde os metais são extraídos e minerados, e como esses minerais são descartados ou, idealmente, reutilizados. O desenvolvimento sustentável de baterias deve considerar a criticidade dos materiais brutos e refletir devidamente sobre a origem, o descarte e o eventual reaproveitamento desses minerais.