Desde meados do final do século XX, a concentração atmosférica de gases de efeito estufa vem aumentando, contribuindo para o contínuo aquecimento contemporâneo até o ponto em que as mudanças climáticas podem agora ser detectadas observando o clima em qualquer dia do ano. Hoje, devido à sua forte dependência de combustíveis fósseis, as maiores economias do mundo ainda produzem grandes quantidades de CO2 (Figura 1).
Na busca contínua por fontes de energia mais ecológicas, as duas tecnologias que estão entre os benefícios da pesquisa e o crescente interesse público são as baterias de íons de lítio e as células de combustível de hidrogênio. Prevê-se que, nos próximos 10 anos, os fabricantes de baterias de íon de lítio e de células de combustível de hidrogênio devem alcançar cerca de US$ 117 e 260 bilhões, respectivamente.
Um fator-chave do interesse nas baterias de íons de lítio é o uso crescente explosivo em veículos elétricos e em aparelhos eletrônicos de consumo, entre outras aplicações, ao passo que o H2, como fonte de energia e meio de armazenamento, é usado em transporte, fornecimento de energia para edifícios e armazenamento de energia de longa duração para a rede em sistemas reversíveis. A expectativa é de que as duas tecnologias desempenhem um papel fundamental na descarbonização do fornecimento de eletricidade.
Como demonstram as análises usando nosso CAS Content Collection™, grande parte da pesquisa da última década sobre baterias de íons de lítio e células de combustível de hidrogênio se concentrou em resolver desafios e barreiras atuais que dificultavam seu uso, alguns dos quais discutiremos aqui. Se essas tecnologias transformarem o uso de energia e viabilizarem nossa transição para um futuro mais ecológico, essa pesquisa será fundamental.
Baterias de íons de lítio x células de combustível de hidrogênio: qual é a mais promissora?
À primeira vista, pode ser tentador argumentar que as células de combustível de hidrogênio são mais promissoras para o transporte, uma das principais aplicações para as duas tecnologias, devido à sua maior densidade de armazenamento de energia, menor peso e menores requisitos de espaço em comparação às baterias de íons de lítio. Veículos movidos a hidrogênio também podem ser reabastecidos mais rapidamente do que veículos movidos a baterias de íons de lítio. No entanto, as células de combustível de hidrogênio têm algumas desvantagens: cerca de 60% da energia H2 armazenada é perdida no processo de empacotamento da energia de H2, o que equivale a cerca de três vezes mais energia perdida quando comparado ao uso de baterias de íons de lítio.
No entanto, as duas tecnologias claramente têm inúmeras aplicações. Assim, é complicado fazer comparações diretas. Além disso, essa perspectiva ignora as pesquisas em andamento, bem como os custos e benefícios mais amplos das tecnologias. A busca do CAS Content Collection nos permite aprofundar o assunto e obter uma compreensão mais detalhada de como as baterias de íons de lítio e células de combustível de hidrogênio são usadas hoje e podem ser usadas no futuro.
Desafios do uso de bateria de íons de lítio
A fabricação e o descarte de baterias de íons de lítio sempre foram fontes de preocupações políticas e ambientais, dado que têm uma poluição considerável associada e fontes de energia não renováveis de lítio e outros recursos-chave continuam altamente pertinentes.
Como o número de carros elétricos aumenta de maneira explosiva (e aumenta também o tamanho da bateria) e, conjugado ao rápido descarte de baterias de íons de lítio de smartphones e outros eletrônicos de consumo, o desperdício de energia e a dependência de recursos não renováveis se tornam ainda mais significativos. De fato, prevê-se que em 2040, 58% de todos os carros vendidos em todo o mundo sejam elétricos e a quantidade total de resíduos gerados possa chegar a 8 milhões de toneladas. Por essa razão, muitas pesquisas recentes sobre baterias de íons de lítio se concentraram em como reciclá-las, com o objetivo de reduzir a poluição e aliviar a pressão sobre as reservas minerais.
Hoje, apenas por volta de 5% das baterias de íons de lítio são recicladas globalmente devido a limitações, como valores financeiros flutuantes de materiais de bateria, falta de convergência tecnológica nos projetos e materiais de bateria (e custos de mão de obra de reciclagem associados), bem como em instalações de reciclagem, falta de monetização de muitos benefícios de reciclagem (incluindo segurança de materiais, segurança e benefícios ambientais) e ausência de regulamentos de reciclagem em grande parte do mundo.
Desafios no uso de células de combustível de hidrogênio
Embora os custos das células de combustível de hidrogênio sejam significativos, em grande parte devido ao uso de platina, o maior desafio é a dificuldade de armazenamento (e transporte) de H2. De fato, o sucesso do H2 como combustível de consumo depende diretamente da descoberta de materiais robustos para o armazenamento de H2 e do desenvolvimento de um sistema sofisticado para o transporte.
Principais tendências de pesquisa: baterias de íons de lítio
Conforme exposto, a reciclagem é de grande interesse na pesquisa de baterias de íons de lítio, pois pode ajudar a resolver problemas contemporâneos de poluição, resíduos e reservas minerais limitadas associadas às LIBs. O crescimento do volume anual de publicações sobre esse tópico (32%) excede significativamente o volume de publicações científicas em geral (4% ao ano), o que sugere um interesse emergente (Figura 2).
É encorajador ver que foi feito um esforço considerável de pesquisa sobre componentes de baterias de íons de lítio, pouco estudados anteriormente (sugerindo uma visão de gerenciamento de reciclagem emergente mais holística) e no sentido da desmontagem (Figura 3), o que é preferível do ponto de vista ambiental porque maximiza a quantidade de material reciclável. Também observamos um aumento no interesse da reciclagem direta, ou seja, a remoção do material catódico para recondicionamento seguida pela reutilização em novas baterias, (Figura 4) que provavelmente terá custos de energia e reagentes mais baixos do que outros métodos de reciclagem.
Principais tendências de pesquisa: células de combustível de hidrogênio
Observamos um aumento constante no volume de patentes no espaço do combustível de H2 desde 1997, o que demonstra o crescente interesse global nesta tecnologia (Figura 5). É encorajador ver que o armazenamento de H2 permaneceu como o principal tópico de interesse na última década (Figuras 6 e 7). O desenvolvimento de uma economia de H2 é altamente dependente da capacidade de armazenar e transportar o gás, uma vez que não é viável estabelecer uma cadeia de suprimentos sem essa capacidade.
O armazenamento de hidrogênio é seguido pela desidrogenação (Figura 6), que se estabeleceu como a segunda principal área de inovação desde 2012. Com métodos de desidrogenação, é possível extrair gás H2 de transportadores de H2 líquido, como a amônia – produtos químicos para os quais já existe a infraestrutura de armazenamento e transporte. Assim, esse tópico pode representar uma solução chave nos esforços para utilizar o H2 de maneira mais ampla. Pesquisas em andamento procuram aumentar a eficiência de processos caros, como o processo Haber-Bosch, necessário para extrair H2 de seu transportador (no caso de uma fonte de amônia) ou encontrar alternativas mais eficientes em termos energéticos.
De olho no futuro
O CAS Content Collection nos permitiu investigar as principais tendências de pesquisa nas buscas em andamento para aproveitar o potencial das baterias de íons de lítio e células de combustível de hidrogênio – duas tecnologias-chave que podem ajudar a transformar o uso global de energia para um futuro mais ecológico.
Além disso, a pesquisa parece estar focada em resolver os principais problemas contemporâneos associados a essas tecnologias; no caso de baterias de íons de lítio, a reciclagem está passando por uma grande expansão de pesquisa, enquanto o armazenamento de H2 continua sendo o principal tópico de interesse no trabalho com células de combustível de hidrogênio.
Consulte nossos informes técnicos sobre reciclagem de baterias de íons de lítio e células de combustível de hidrogênio para obter insights mais profundos sobre os cenários econômicos, políticos, ambientais e de pesquisa em evolução dessas duas tecnologias-chave.
