Baterias de íons de sódio

Baterias de íons de sódio: a revolução no armazenamento de energia renovável

P+D+I Eficiência energética Armazenamento energético

O desenvolvimento de baterias de nova geração é um fator determinante no futuro do armazenamento de energia, que é fundamental para a descarbonização e a transição energética diante dos desafios das mudanças climáticas. O armazenamento de energia renovável torna a produção de energia renovável mais flexível e garante sua integração ao sistema.

Desde o seu surgimento em 1991, as baterias de lítio dominam o setor de armazenamento de energia. Entretanto, essa liderança levou a um aumento significativo na demanda por esse mineral, algo que não parece diminuir. Isso acabou gerando um questionamento de uma possível escassez de suprimentos de lítio, com consequentes aumentos de preços e atrasos devido à falta de abastecimento.

Nos últimos anos, os fabricantes de baterias e o setor automotivo vêm explorando matérias-primas alternativas ao lítio para a fabricação de sistemas de armazenamento de energia. E uma das opções mais viáveis é a bateria de íons de sódio: por ser encontrado em abundância e ter um custo relativamente baixo, esse material se posiciona como a próxima revolução no armazenamento de energia renovável.

O que são baterias de íons de sódio e como elas funcionam?

As baterias de íons de sódio são um tipo de bateria recarregável que funciona de forma semelhante às baterias de lítio, mas que transportam a carga usando íons de sódio (Na+) em vez de íons de lítio (Li+). O sódio é um metal alcalino prateado e macio, muito abundante na natureza – pode ser encontrado, por exemplo, no sal marinho ou na crosta terrestre –. O funcionamento das baterias de íons de sódio é parecido ao das baterias de íons de lítio, já que a química dos dois elementos é semelhante (ambos são alcalinos).

As baterias de sódio foram estudadas pela primeira vez na década de 80, mas foi somente no século XXI que o verdadeiro potencial do sódio para o armazenamento de energia foi redescoberto.

Nos últimos 20 anos, mais de 50 % da atividade de pesquisa patenteada no campo das baterias de íons de sódio foi realizada na China (53 %), seguida pelo Japão (16 %) e pelos EUA (13 %). A Europa também está começando a progredir nesse campo. As empresas que atualmente desempenham o papel mais importante nessa tecnologia são as chinesas CATL e HiNa.

O futuro é brilhante nesse aspecto. De acordo com a BloombergNEF, até 2030, as baterias de íons de sódio poderão ser responsáveis por 23% do mercado de armazenamento estacionário, o que se traduziria em mais de 50 GWh. Mas essa previsão pode ser superada com os desenvolvimentos tecnológicos do setor e se se aumenta a fabricação com o uso de equipamentos semelhantes ou iguais aos das baterias de lítio.

Tecnologia das baterias de íons de sódio 

As baterias de íons de sódio são compostas pelos seguintes elementos: um eletrodo negativo ou ânodo, do qual os elétrons são liberados, e um eletrodo positivo ou cátodo, que os recebe. Quando a bateria é descarregada, os íons de sódio se movem do ânodo para o cátodo por meio de um eletrólito – uma substância composta de íons livres que funciona como um condutor elétrico –, resultando na diferença de potencial que produz a corrente. Quando a bateria é carregada, os íons de sódio retornam ao ânodo até que uma tensão de fim de carga predeterminada seja atingida.

Vantagens e desvantagens das baterias de íons de sódio

As baterias de íons de sódio oferecem uma opção versátil e economicamente viável, já que dependem de um metal alcalino tão abundante na Terra e com custos de produção relativamente baixos. Elas fornecem energia eficiente com recarga rápida, estabilidade contra temperaturas extremas e segurança contra superaquecimento ou fuga térmica. São menos tóxicas do que outras baterias populares, pois não requerem lítio, cobalto, cobre ou níquel, que podem liberar gases poluentes em caso de incêndio. Além disso, podem se adaptar a diferentes usos.

Apesar de seu desempenho, as baterias de sódio são relativamente novas no cenário comercial. O uso massivo deste tipo de armazenamento de energia ainda é pequeno devido à falta de uma cadeia de suprimentos industrial estabelecida. Além disso, uma das principais desvantagens das baterias de íons de sódio é que elas têm uma baixa densidade de energia em comparação com outras baterias populares, como as baterias de lítio, de modo que podem armazenar menos energia por unidade de peso. Também são menos eficientes e têm uma vida útil mais curta.

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Fabricação de baterias de íons de sódio

Atualmente, a fabricação das baterias de sódio é mais cara do que a das baterias de lítio devido aos baixos volumes e à falta de uma cadeia de suprimentos desenvolvida. No entanto, esse tipo de bateria tem o potencial de se tornar muito mais barata no futuro. Para isso, as capacidades de produção de GWh devem ser atingidas.

Em termos de fabricação, a maioria das tecnologias atuais de íons de sódio usa os mesmos processos das baterias de lítio, o que representa uma vantagem muito significativa em relação a outras tecnologias de armazenamento em desenvolvimento. A tecnologia de sódio, portanto, se beneficia de todas as economias de escala e do conhecimento do lítio (a adaptação de uma atual fábrica de lítio para a tecnologia de íons de sódio poderia exigir um aumento de apenas 10% de gastos de capital).

Usos das baterias de íons de sódio

As pesquisas sugerem que as baterias de íons de sódio poderão atender às crescentes demandas por armazenamento de energia de forma sustentável. Alguns dos usos conhecidas das baterias de sódio são:
 
 Armazenamento de energia renovável

Em um mundo em plena transição de combustíveis fósseis para fontes de energia renováveis, como a energia eólica e solar, é de suma importância obter um aprimoramento do armazenamento de energia elétrica. As baterias de íons de sódio possibilitam o armazenamento de energia renovável para residências e empresas, garantindo um fornecimento equilibrado de cada megawatt verde gerado. Um dos principais usos na indústria energética é o autoconsumo.
 
 Armazenamento em rede

As redes inteligentes dependem de energia estável, já que o abastecimento intermitente pode levar a falhas na rede. As baterias de íons de sódio podem oferecer uma maior estabilidade ao fornecimento de energia.

 Suporte energético para empresas de dados e telecomunicações

Os setores de dados e telecomunicações contam com infraestruturas e processos que dependem muito do armazenamento energético. As baterias de sódio podem fornecer energia sob demanda para garantir um abastecimento estável e seguro.
 
 Automóveis e transporte

A redução das emissões de carbono do transporte é um pilar fundamental da transição energética. A tecnologia de íons de sódio representa uma alternativa cada vez mais real para a mobilidade elétrica.
 
 Mobilidade industrial

As baterias de íons de sódio podem maximizar o uso dos ativos na indústria e minimizar os custos operacionais.

O futuro da tecnologia de íons de sódio

A atividade de pesquisa de baterias de lítio impulsionada nos últimos anos beneficiou o desenvolvimento das baterias de íons de sódio. Por ter várias semelhanças com as baterias de íons de lítio, esse tipo de armazenamento de energia contou com avanços particularmente rápidos e promete ser uma vantagem fundamental na sua implantação.

Mas, além disso, a crescente demanda por armazenamento de energia elétrica em larga escala e as recentes descobertas —por exemplo, o uso de carbono duro como material anódico— estão propiciando um desenvolvimento de baterias de íons de sódio cada vez maior.

Seus principais desafios abrem três linhas principais de aprimoramento tecnológico:

• Aumento da densidade de energia para melhorar o armazenamento energético.
• Desenvolvimento de células de alta ciclabilidade (recarga rápida, regulação de frequência, frenagem regenerativa em veículos elétricos).
• Hibridização com baterias de lítio. Alguns fabricantes estão desenvolvendo pacotes híbridos para veículos elétricos que combinam células de lítio (reserva de energia) com células de sódio (melhor desempenho de recarga rápida).

Uma vez conseguidos esses desafios, a próxima meta será comercializar essa tecnologia com um custo baixo e em grande escala. Esse é apenas o início de um caminho que estabelece a base para uma grande revolução no armazenamento de energia renovável.