Desde meados do final do século XX, a concentração atmosférica de gases de efeito estufa tem aumentado, contribuindo para o aquecimento contemporâneo contínuo, a ponto de as mudanças climáticas poderem ser detectadas em qualquer dia de clima. Hoje, devido à sua forte dependência de combustíveis fósseis, as maiores economias do mundo ainda produzem vastas quantidades de CO2 (Figura 1).
Na busca contínua por fontes de energia mais verdes, as baterias de íon-lítio e as células de combustível de hidrogênio são duas tecnologias que estão no centro de avanços em pesquisa e do crescente interesse público. Espera-se que as indústrias de baterias de íon-lítio e de células de combustível de hidrogênio alcancem cerca de 117 e 260 bilhões de dólares nos próximos dez anos, respectivamente.
Um fator chave para o interesse em baterias de íon-lítio é o seu uso em crescimento explosivo em veículos elétricos, bem como em eletrônicos de consumo, entre outras aplicações, enquanto o H2, como fonte de energia e meio de armazenamento, encontra usos no transporte, no fornecimento de energia para edifícios e no armazenamento de energia de longo prazo para a rede em sistemas reversíveis. Espera-se que ambas as tecnologias desempenhem papéis fundamentais na descarbonização do fornecimento de eletricidade.
Como análises usando nossa CAS Content Collection™ mostraram, grande parte da pesquisa na última década sobre baterias de íon-lítio e células de combustível de hidrogênio concentrou-se em resolver desafios e barreiras contemporâneas ao seu uso – alguns dos quais discutiremos aqui. Se essas tecnologias devem transformar nosso uso de energia e nos levar a um futuro mais verde, essa pesquisa será fundamental.
Baterias de íon-lítio vs. células de combustível de hidrogênio: quais são mais promissoras?
À primeira vista, pode ser tentador argumentar que as células de combustível de hidrogênio podem ser mais promissoras no transporte, uma das principais aplicações para ambas as tecnologias, devido à sua maior densidade de armazenamento de energia, menor peso e menores requisitos de espaço em comparação com as baterias de íon-lítio. Veículos movidos a hidrogênio também podem ser reabastecidos mais rapidamente do que veículos movidos a baterias de íon-lítio. No entanto, as células de combustível de hidrogênio não estão isentas de desvantagens: estima-se que cerca de 60% da energia de H2 armazenada seja perdida no processo de embalagem de energia do H2, o que equivale a cerca de três vezes mais energia perdida em comparação com o uso de baterias de íon-lítio.
Claramente, no entanto, ambas as tecnologias têm inúmeras aplicações e, portanto, comparações diretas são complicadas. Além disso, essa perspectiva ignora a pesquisa em andamento, bem como os custos e benefícios mais amplos das tecnologias. Nossa pesquisa na CAS Content Collection nos permite ir além da superfície e obter uma compreensão mais profunda de como as baterias de íon-lítio e as células de combustível de hidrogênio são usadas hoje e como podem ser usadas no futuro.
Desafios no uso de baterias de íon-lítio
A fabricação e o descarte de baterias de íon-lítio sempre foram temas de preocupações políticas e ambientais, sendo que a poluição considerável associada e as fontes de energia não renováveis de lítio e outros recursos essenciais permanecem altamente pertinentes.
Com o número explosivo de carros elétricos (e o aumento do tamanho das baterias) em conjunto com o rápido descarte de baterias de íon-lítio em smartphones e outros eletrônicos de consumo, o desperdício de energia e a dependência de recursos não renováveis estão se tornando mais significativos. De fato, prevê-se que, em 2040, 58% de todos os carros vendidos em todo o mundo serão elétricos, e a quantidade total de resíduos gerados poderá chegar a 8 milhões de toneladas. Grande parte das pesquisas recentes sobre baterias de íon-lítio, portanto, concentrou-se em como reciclá-las, com o objetivo de reduzir a poluição e aliviar a pressão sobre as reservas minerais.
Hoje, apenas cerca de 5% das baterias de íon-lítio são recicladas globalmente devido a limitações, como valores financeiros flutuantes dos materiais das baterias, falta de convergência tecnológica nos designs e materiais das baterias (e custos de mão de obra de reciclagem associados), bem como dentro das instalações de reciclagem, falta de monetização de muitos benefícios da reciclagem (incluindo segurança de materiais, segurança e benefícios ambientais) e ausência de regulamentações 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 armazenar (e transportar) H2. De fato, o sucesso do H2 como combustível de consumo depende diretamente de encontrar materiais de armazenamento de H2 robustos e desenvolver um sistema refinado e seguro para seu transporte.
Principais tendências de pesquisa: baterias de íon-lítio
Como discutido, a reciclagem é de grande interesse na pesquisa de baterias de íon-lítio, pois pode ajudar a resolver problemas contemporâneos de poluição, resíduos e reservas minerais limitadas associados a essas baterias. O crescimento anual do volume de publicações sobre este tema (32%) supera em muito o das publicações científicas em geral (4% ao ano), sugerindo um interesse emergente (Figura 2).
De forma encorajadora, um esforço considerável de pesquisa tem sido direcionado a componentes de baterias de íon-lítio anteriormente menos estudados (o que sugere uma visão de gestão de reciclagem emergente e mais holística) e à desmontagem (Figura 3), que é preferível do ponto de vista ambiental por maximizar a quantidade de material reciclável. A reciclagem direta, que consiste na remoção do material do cátodo para recondicionamento seguida de reutilização em novas baterias, também tem despertado maior interesse (Figura 4) e provavelmente terá custos de energia e reagentes menores do que outros métodos de reciclagem.
Principais tendências de pesquisa: Células de combustível de hidrogênio
Houve um aumento constante no volume de patentes na área de combustível de H2 desde 1997, demonstrando o crescente interesse global nesta tecnologia (Figura 5). De forma encorajadora, 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 depende fortemente 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 os métodos de desidrogenação, é possível extrair gás H2 de transportadores líquidos de H2 como a amônia – produtos químicos para os quais a infraestrutura de armazenamento e transporte já existe. Assim, este tópico pode representar uma solução fundamental nos esforços para utilizar o H2 de forma mais ampla. Pesquisas em andamento buscam aumentar a eficiência de processos dispendiosos 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.
Perspectivas futuras
A CAS Content Collection nos permitiu investigar as principais tendências de pesquisa nos esforços contínuos para aproveitar o potencial das baterias de íon-lítio e das células de combustível de hidrogênio – duas tecnologias-chave que podem ajudar a transformar o uso global de energia para um futuro mais verde.
Além disso, a pesquisa parece estar focada em resolver problemas contemporâneos fundamentais associados a essas tecnologias – no caso das baterias de íon-lítio, a reciclagem está passando por um boom de pesquisas, enquanto o armazenamento de H2 continua sendo o principal tópico de interesse no trabalho com células de combustível de hidrogênio.
