Fortalecendo a cadeia de valor das baterias

A indústria de fabricação de baterias experimentou um crescimento massivo nas últimas décadas, impulsionada pela crescente importância da portabilidade e flexibilidade no cotidiano. A bateria moderna de lítio-íon (Li-ion) começou de forma modesta, inicialmente desenvolvida para uso em eletrônicos de consumo na década de 1990, e agora é um item essencial em celulares, laptops e muito mais.

O co-fundador da Tesla, Martin Eberhard, deu um passo significativo ao reunir várias baterias de lítio para alimentar veículos elétricos (VEs). Ele percebeu que as técnicas usadas para produzir baterias de laptop poderiam ser adaptadas para fabricar essas baterias muito maiores de forma econômica. Como resultado, a Tesla e outros fabricantes de veículos elétricos integraram essa tecnologia na cadeia de suprimentos de baterias existente. O Tesla Roadster, modelo de destaque de 2008, era alimentado por 6.831 baterias de lítio-íon de laptop, capazes de atingir uma autonomia de 400 km (250 milhas) e uma velocidade máxima superior a 200 km/h (130 mph).

Além dos veículos elétricos, as preocupações climáticas estão impulsionando uma transição para técnicas de geração de energia sustentável, incluindo eólica, solar e geotérmica. O armazenamento de baterias é essencial devido à capacidade de geração intermitente dessas fontes de energia. As baterias de lítio modernas também estão sendo cada vez mais usadas para alimentar continuamente microrredes, complementando a rede elétrica tradicional. Isso é especialmente importante para data centers e outras aplicações com requisitos de energia redundante.

O lítio passa por várias etapas e processos enquanto segue de sua extração na terra até os mercados atacadistas e de varejo, incluindo mineração, refino, fabricação de baterias e transporte. Portanto, o preço das baterias de lítio reflete todas as etapas intermediárias. Baterias de lítio maiores podem ser bastante caras. Por exemplo, uma bateria de reposição para o Tesla Model S custa entre US$ 8.000 e US$ 10.000.

A cadeia de valor da bateria consiste em quatro etapas principais:

1. Upstream: Os mineradores extraem lítio, cobalto, manganês, fosfatos, níquel e grafite para uso na fabricação de baterias de lítio-íon.
2. Midstream: Processadores e refinadores produzem os componentes ativos do cátodo e do ânodo, e os comerciantes de commodities compram e vendem esses componentes ativos para empresas que montam células de bateria.
3. Downstream: Os fabricantes de baterias montam as células em módulos, que são então vendidos para atacadistas ou revendedores para consumidores.
4. Fim de vida útil: Recicladores de baterias desmontam as baterias usadas em componentes individuais que são reutilizados para produzir novas baterias, utilizando uma variedade de métodos.

O lítio é encontrado em quantidades comerciais principalmente na Austrália, Argentina, Bolívia e Chile. Na Austrália, as minas a céu aberto de espodumênio são usadas para processar a maior parte do minério de lítio. A Mina Greenbushes, localizada na Austrália Ocidental, é a maior mina de lítio de rocha dura do mundo, produzindo aproximadamente US$ 5,6 bilhões em espodumênio de lítio anualmente.

Na América do Norte e do Sul, o lítio é concentrado a partir de salmouras encontradas nas antigas planícies de sal . Os produtores perfuram esses aquíferos salinos e, em seguida, bombeiam o fluido para os leitos de secagem, onde a maior parte da água evapora, deixando para trás os sais de lítio. Outros minerais, como o bromo, também podem ser extraídos dos concentrados nos leitos de secagem.

Após a extração das matérias-primas, elas devem ser refinadas em formatos utilizáveis. De acordo com a Bloomberg NEF , China, Coreia do Sul e Japão são os principais países fabricantes de baterias do mundo. A China atualmente domina a cadeia de suprimentos global de baterias de lítio-íon, produzindo 80% de todas as baterias de lítio-íon, 70% dos cátodos e 80% dos ânodos. Além disso, a China processa e refina mais da metade do lítio, fosfato, cobalto e grafite do mundo.

Os vice-líderes, Coreia do Sul e Japão, são responsáveis por uma produção de baterias significativamente menor. A Coreia do Sul produz 15% dos cátodos e 3% dos ânodos do mundo, enquanto o Japão é responsável por 14% e 11%, respectivamente.

O processo de refino do minério de lítio adapta procedimentos da fabricação de cimento, incluindo moagem, calcinagem, fresagem e sulfatação. A lixiviação e a filtragem são usadas para remover outros minerais, como alumina, manganês e cálcio. Esse processo continua até que o carbonato de lítio de grau para baterias seja obtido.

A fabricação de baterias requer a montagem de uma célula de bateria inteira e, eventualmente, uma montagem de células. Componentes principais incluem cátodo, ânodo e eletrólito. Os cátodos de íons de lítio são compostos principalmente de lítio, e os ânodos, de carbono. Cada célula inclui um separador e uma carcaça para conter os materiais da bateria, que é preenchida com um eletrólito condutor.

O ânodo e o cátodo são fabricados a partir de uma pasta que consiste em material ativo, agentes condutores e um ligante. A pasta é então depositada em um substrato de filme ou folha metálica. A folha é cortada, aparada e calandrada, sendo achatada entre dois rolos pressurizados para se ajustar à bateria, e posteriormente é seca. O solvente é recuperado para reutilização.

Após a finalização do ânodo e do cátodo, um separador é instalado entre eles. Em seguida, toda a carcaça é preenchida com gel de eletrólito.

Entre os desafios típicos da cadeia de suprimentos, a cadeia de valor das baterias possui características únicas, exigindo supervisão crítica para garantir segurança e sustentabilidade. Primeiramente, as cadeias de suprimentos devem ser cuidadosamente gerenciadas para garantir um fornecimento consistente de salmouras, minérios e outras matérias-primas necessárias. Embora grande parte da fabricação de baterias esteja concentrada na China, as matérias-primas vêm de diversas partes do mundo, de modo que qualquer interrupção no transporte pode causar grandes transtornos.

Além disso, os métodos de fabricação de baterias de íons de lítio produzem resíduos sólidos, líquidos e gasosos. Isso gera o potencial para impactos ambientais adversos, especialmente em regiões com regulamentações ambientais mais flexíveis.

É crucial implementar padrões rigorosos para a fabricação, descarte e reciclagem de baterias de íons de lítio devido ao risco inerente de incêndio ou explosão. Baterias falsificadas de fontes duvidosas podem agravar esses perigos.

A reciclagem de baterias de íons de lítio também pode ser difícil. Embora consideradas resíduos perigosos, os fabricantes podem obter economias significativas de energia ao reutilizar essas baterias, ao mesmo tempo em que eliminam as repercussões ambientais negativas do descarte.

Os custos de produção de baterias de íons de lítio são elevados devido à qualidade exigida das matérias-primas, à ênfase no controle de qualidade, aos procedimentos de fabricação complexos e à alta demanda por volume. Por exemplo, são necessários 289 toneladas de minério, 750 toneladas de salmoura ou 28 toneladas de baterias de íons de lítio para produzir uma tonelada de lítio puro de qualidade para baterias.

Pesquisadores estão investigando a viabilidade das baterias de íons de sódio para enfrentar esses desafios. O sódio é muito mais abundante que o lítio, mais fácil de minerar e significativamente mais barato. Além disso, é menos volátil e mais estável.

As baterias de fluxo, que armazenam energia em um eletrólito líquido, também estão sendo estudadas para uso em armazenamento de energia em larga escala para redes elétricas. Esse tipo de bateria consiste em dois ou mais tanques para armazenar o eletrólito, que é bombeado através de uma célula eletroquímica para produzir eletricidade.

No entanto, as células de íons de sódio e as baterias de fluxo possuem menor densidade de energia por volume e peso em comparação com as baterias de íons de lítio. Elas também são menos eficientes, o que resulta em aplicações finais menos confiáveis. Portanto, no futuro previsível, as baterias de íons de lítio continuarão sendo a principal tecnologia escolhida.

As baterias de íons de lítio revolucionaram o fornecimento de energia portátil, viabilizando tecnologias transformadoras como smartphones, ferramentas elétricas, veículos elétricos (EVs) e microrredes. À medida que o mundo avança em direção à energia renovável e à mobilidade elétrica, a demanda por baterias continuará a crescer. No entanto, a complexa e globalmente interconectada cadeia de valor das baterias de lítio apresenta desafios significativos.

A sustentabilidade global exige garantir a obtenção ética de matérias-primas, mitigar os impactos ambientais ao longo do processo de produção e enfrentar o desafio da reciclagem de baterias. Embora alternativas eletroquímicas, como as baterias de íons de sódio, ofereçam potencial, a tecnologia de íons de lítio continua sendo a força dominante no setor de baterias. As baterias de íons de lítio são apenas um componente da transição energética global e dos esforços de redução de carbono para alcançar emissões líquidas zero até 2050.