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O que são baterias de íon sódio e elas podem substituir o lítio?

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gcarnero/Shutterstock.com

As baterias de íons de sódio (Na-ion) usam íons de sódio em vez de íons de lítio para armazenar e fornecer energia. O sódio é muito mais abundante e ecologicamente correto do que o lítio, mas vários desafios permanecem para tornar as baterias de íons de sódio as novas campeãs de bateria.

As baterias estão se tornando cruciais para a vida cotidiana, e quem encontra uma bateria melhor tem o mundo em um prato. As baterias de íon-sódio são as principais candidatas à coroa em relação às baterias de íon-lítio, mas o que exatamente as torna especiais?

O que é uma bateria de íons de sódio?

As baterias de íons de sódio são baterias que usam íons de sódio (pequenas partículas com carga positiva) em vez de íons de lítio para armazenar e liberar energia. As baterias de íons de sódio começaram a mostrar viabilidade comercial na década de 1990 como uma alternativa potencial às baterias de íons de lítio, o tipo comumente usado em telefones e carros elétricos.

Como funcionam as baterias de íon sódio

As baterias de íon de sódio, também chamadas de baterias de íon Na, usam uma reação química para armazenar e liberar energia elétrica. Como todas as baterias, elas possuem dois eletrodos (um eletrodo positivo e outro negativo) separados por um eletrólito, que é uma substância especial que permite que os íons (pequenas partículas com carga positiva ou negativa) se movam entre os eletrodos.

As baterias de íon de sódio funcionam de maneira semelhante às baterias de íon de lítio, mas usam íons de sódio em vez de íons de lítio. A escolha de materiais para eletrodos e eletrólitos pode afetar o desempenho e a vida útil da bateria, por isso os pesquisadores estão constantemente experimentando diferentes combinações para encontrar a melhor combinação de custo, desempenho e segurança. Geralmente, o cátodo (o eletrodo negativo) e o eletrólito contêm sódio.

O que torna as baterias de íon de sódio ótimas?

As baterias de íon-lítio dominam agora, e há muita pesquisa sendo feita para torná-las ainda melhores do que são agora. Ainda assim, as baterias de íon sódio têm algumas vantagens distintas sobre elas.

  • O sódio é um elemento muito mais abundante que o lítio, tornando-o mais fácil e barato de obter. Isso pode tornar as baterias de íon de sódio mais baratas de fabricar do que as baterias de íon de lítio e mais ecológicas!
  • As baterias de íon-sódio têm o potencial de oferecer uma densidade de energia semelhante às baterias de íon-lítio, tornando-as adequadas para uma ampla gama de aplicações semelhantes, embora ainda não cheguem lá.
  • As baterias de íon de sódio são geralmente consideradas mais seguras do que as baterias de íon de lítio, pois são menos propensas a superaquecer e pegar fogo. Embora várias baterias de lítio experimentais tenham mostrado incrível resistência a danos que fariam com que as baterias de hoje explodam.

As desvantagens das baterias de íon sódio

Não existe uma tecnologia de bateria perfeita e existem algumas razões pelas quais as baterias de íons de sódio ainda não substituíram o lítio.

  • As baterias de íon de sódio têm uma voltagem mais baixa (2,5 V) do que as baterias de íon de lítio (3,7 V), o que significa que podem não ser adequadas para aplicações de alta potência que exigem muita energia para ser entregue rapidamente.
  • Elas têm uma taxa de carga/descarga mais lenta do que as baterias de íon-lítio, o que pode não ser adequado para aplicações que exigem muita energia para ser entregue rapidamente (como veículos elétricos).
  • As baterias de íon de sódio ainda têm ciclos de carga limitados antes que a bateria comece a se degradar, e algumas químicas de bateria de íon de lítio (como LiFeP04) podem atingir 10.000 ciclos antes de se degradarem.

Além desses prós e contras técnicos, a cadeia de fabricação de baterias de íons de sódio ainda tem alguns problemas a resolver antes de se tornar um produto comercial convencional. Sem mencionar que engenheiros e cientistas estão trabalhando em correções para os pontos fracos restantes dessa tecnologia de bateria.

O potencial presente e futuro das baterias de íon sódio

Pesquisadores e empresas de todo o mundo estão trabalhando para melhorar o desempenho e a viabilidade comercial das baterias de íon sódio. Algumas áreas-chave de foco incluem melhorar a densidade de energia e a voltagem das baterias de íons de sódio, bem como aumentar sua vida útil e taxa de carga/descarga.

Se esses esforços forem bem-sucedidos, as baterias de íon de sódio podem se tornar uma alternativa viável às baterias de íon de lítio no futuro. Potencialmente, eles podem ser usados ​​em várias aplicações, incluindo dispositivos eletrônicos portáteis, veículos elétricos e sistemas estacionários de armazenamento de energia.

Em 2022, pesquisadores do Departamento de Energia dos EUA fizeram uma descoberta para melhorar a durabilidade das baterias de íons de sódio. Ao alterar parte da química da bateria, as baterias protótipo do tamanho de uma moeda duraram mais de 300 ciclos e mantiveram mais de 90% de sua capacidade. No entanto, mesmo sem essa nova abordagem da química, parece que as baterias de íons de sódio estão prestes a atingir a produção em massa de qualquer maneira.

A produção em massa de íons de sódio já começou

Em dezembro de 2022, foi relatado que uma empresa chamada HiNa, em parceria com a estatal chinesa China Three Gorges Corporation, havia iniciado a produção em massa de baterias de íons de sódio. A primeira geração de baterias HiNa oferece valores de densidade de energia de 125 Wh/kg, que é cerca de metade das baterias de íons de lítio. No entanto, essas baterias são classificadas para cerca de 4.500 ciclos de carga, o que é significativamente mais do que as baterias típicas de íons de lítio.

As baterias típicas de fosfato de ferro e lítio oferecem densidades de energia semelhantes às baterias de íon sódio, e o número nominal de ciclos de carga também é semelhante. Isso coloca as baterias de íons de sódio em concorrência direta com essas baterias para aplicações como energia de backup do inversor ou veículos elétricos.

Espera-se que a próxima geração dessas baterias HiNa tenha uma densidade de energia de 200 Wh/kg, com gerações subsequentes que excedam esse valor. Dado que alguns carros elétricos que usam baterias de lítio têm uma densidade de energia inferior a 250 Wh/kg, essas primeiras baterias de íons de sódio produzidas em massa têm grande potencial para reduzir o custo do armazenamento de energia.

No entanto, como as baterias LiFeP04, não espere essa tecnologia em seu smartphone ou laptop tão cedo. Nesses pequenos dispositivos, a densidade de potência continua sendo a consideração mais importante. No entanto, não se surpreenda se o seu carro elétrico ou sistema de bateria movido a energia solar ficar um pouco mais salgado em um futuro próximo.

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