Baterias de sódio podem conquistar o espaço dos íons de lítio?

Da pv magazine Global

As baterias de íons de sódio estão passando por um período crítico de comercialização, já que indústrias como setor automotivo e de armazenamento de energia apostam alto na tecnologia. Fabricantes de baterias estabelecidos e recém-chegados estão lutando para ir do laboratório à fábrica com uma alternativa viável ao íon de lítio. Com este último sendo o padrão para mobilidade elétrica e armazenamento estacionário, novas tecnologias precisarão oferecer vantagens comprovadas. O íon de sódio parece bem colocado para essa disputa, com segurança superior, custos de matéria-prima e credenciais ambientais.

Os dispositivos de íons de sódio não precisam de materiais críticos, contando com sódio abundante em vez de lítio, e sem cobalto ou níquel. Como os preços do íon de lítio subiram em 2022, em meio a previsões de escassez de materiais, o íon de sódio foi apontado como um rival e o interesse permanece forte, mesmo com os preços do íon de lítio começando a cair novamente.

“Atualmente, estamos rastreando 335,4 GWh de capacidade de produção de células de íons de sódio até 2030, destacando que ainda há um compromisso considerável com a tecnologia”, disse Evan Hartley, analista sênior da Benchmark Mineral Intelligence.

Em maio de 2023, a consultoria com sede em Londres havia rastreado 150 GWh até 2030.

Células de íons de sódio potencialmente mais baratas

As células de íons de sódio, produzidas em escala, podem ser de 20% a 30% mais baratas do que o ferro/ferro-fosfato de lítio (LFP), a tecnologia dominante de baterias estacionárias de armazenamento, principalmente graças ao sódio abundante e aos baixos custos de extração e purificação. As baterias de íons de sódio podem usar alumínio para o coletor de corrente de ânodo em vez de cobre – usado no íon de lítio – reduzindo ainda mais os custos e os riscos da cadeia de suprimentos. Essas economias, no entanto, ainda são potenciais.

“Antes que as baterias de íons de sódio possam desafiar as baterias de chumbo-ácido e fosfato de ferro de lítio existentes, os participantes da indústria precisarão reduzir o custo da tecnologia, melhorando o desempenho técnico, estabelecendo cadeias de suprimentos e alcançando economias de escala”, disse Shazan Siddiqi, analista sênior de tecnologia da empresa de pesquisa de mercado IDTechEx, com sede no Reino Unido. “A vantagem de custo do Na-ion só é alcançável quando a escala de produção atinge uma escala de fabricação comparável às células de bateria de íons de lítio. Além disso, uma nova queda de preço do carbonato de lítio poderia reduzir a vantagem de preço que o sódio oferece.”

É improvável que o íon de sódio suplante o íon de lítio em aplicações que priorizam o alto desempenho e, em vez disso, será usado para armazenamento estacionário e micro veículos elétricos. Os analistas da S&P Global esperam que o íon de lítio forneça 80% do mercado de baterias até 2030, com 90% desses dispositivos baseados em LFP. O íon sódio poderia representar 10% do mercado.

Escolhas certas

Os pesquisadores têm considerado o íon de sódio desde meados do século 20 e desenvolvimentos recentes incluem melhorias na capacidade de armazenamento e na vida útil do dispositivo, bem como novos materiais de ânodo e cátodo. Os íons de sódio são mais volumosos do que os de lítio, de modo que as células de íons de sódio têm menor voltagem, bem como menor densidade de energia gravimétrica e volumétrica.

A densidade de energia gravimétrica do íon de sódio está atualmente em torno de 130 Wh/kg a 160 Wh/kg, mas espera-se que atinja 200 Wh/kg no futuro, acima do limite teórico para dispositivos LFP. Em termos de densidade de potência, no entanto, as baterias de íons de sódio podem ter 1 kW/kg, maior do que as de níquel-manganês-cobalto (NMC) de 340 W/kg a 420 W/kg e de LFP de 175 W/kg a 425 W/kg.

Enquanto a vida útil de um dispositivo de íon de sódio de 100 a 1.000 ciclos é menor do que a do LFP, o desenvolvedor indiano KPIT relatou uma vida útil com 80% de retenção de capacidade por 6.000 ciclos – dependendo da química da célula – comparável aos dispositivos de íons de lítio.

“Ainda não há uma única química vencedora dentro das baterias de íons de sódio”, disse Siddiqi, da IDTechEx. “Muitos esforços de pesquisa e desenvolvimento estão sendo realizados para encontrar o material ativo de ânodo/cátodo perfeito que permita escalabilidade além do estágio de laboratório.”

Referindo-se à organização de ciência de segurança com sede nos Estados Unidos, Underwriter Laboratories, Siddiqi acrescentou que “a padronização UL para células de íons de sódio está, portanto, ainda a um tempo de distância e isso faz com que os OEMs [fabricantes de equipamentos originais] hesitem em se comprometer com tal tecnologia”.

O branco prussiano, o poliânion e o óxido em camadas são candidatos catódicos com materiais mais baratos do que os equivalentes de íons de lítio. O primeiro, usado pela Northvolt e CATL, é amplamente disponível e barato, mas tem densidade de energia volumétrica relativamente baixa. A empresa Faradion, com sede no Reino Unido, usa óxido em camadas, que promete maior densidade energética, mas é atormentado pelo desvanecimento da capacidade com o tempo. O Tiamat da França usa poliânion, que é mais estável, mas apresenta vanádio tóxico.

“A maioria dos produtores de células que planejam a capacidade da bateria de íons de sódio usará a tecnologia de cátodo de óxido em camadas”, disse Hartly, da Benchmark. “Na verdade, 71% do pipeline [de células] é de óxido em camadas. Da mesma forma, 90,8% da tubulação do cátodo de íons de sódio é de óxido em camadas”.

Enquanto os cátodos são o principal fator de custo para o íon de lítio, o ânodo é o componente mais caro das baterias de íons de sódio. O carbono duro é a escolha padrão para ânodos de íons de sódio, mas a capacidade de produção fica atrás das células de íons de sódio, aumentando os preços. Materiais de carbono duro têm sido recentemente derivados de diversos precursores, como dejetos animais, lodo de esgoto, glicose, celulose, madeira, carvão e derivados de petróleo. O grafite sintético, um material comum de ânodo de íons de lítio, depende quase exclusivamente dos dois últimos precursores. Com sua cadeia de suprimentos em desenvolvimento, o carbono duro é mais caro do que o grafite e representa um dos principais obstáculos na produção de células de íons de sódio.

Mitigando parcialmente os custos mais elevados, as baterias de íons de sódio apresentam melhor tolerância à temperatura, particularmente em condições abaixo de zero. Eles são mais seguros do que o íon de lítio, pois podem ser descarregados a zero volts, reduzindo o risco durante o transporte e descarte. As baterias de íons de lítio são normalmente armazenadas com cerca de 30% de carga. O íon sódio tem menor risco de incêndio, pois seus eletrólitos têm um ponto de fulgor mais alto – a temperatura mínima na qual um produto químico pode vaporizar para formar uma mistura inflamável com o ar. Com ambas as químicas apresentando estrutura e princípios de funcionamento semelhantes, o íon de sódio muitas vezes pode ser jogado em linhas de produção de íons de lítio e equipamentos.

Na verdade, a fabricante líder mundial de baterias CATL está integrando íons de sódio em sua infraestrutura e produtos de íons de lítio. Sua primeira bateria de íons de sódio, lançada em 2021, tinha densidade de energia de 160 Wh/kg, com prometidos 200 Wh/kg no futuro. Em 2023, a CATL disse que a montadora chinesa Chery seria a primeira a usar suas baterias de íons de sódio. A CATL disse à pv magazine no final de 2023 que desenvolveu uma cadeia industrial básica para baterias de íons de sódio e estabeleceu a produção em massa. A escala de produção e as remessas dependerão da implementação do projeto do cliente, disse a CATL, acrescentando que mais precisa ser feito para o lançamento comercial em larga escala do íon de sódio. “Esperamos que toda a indústria trabalhe em conjunto para promover o desenvolvimento de baterias de íons de sódio”, disse a fabricante de baterias.

Carga de sódio

Em janeiro de 2024, a maior montadora da China e segunda maior fornecedora de baterias, a BYD, disse que havia iniciado a construção de uma fábrica de baterias de íons de sódio de CNY 10 bilhões (US$ 1,4 bilhão), 30 GWh por ano. A saída alimentará dispositivos de “micromobilidade”. A HiNa, criada pela Academia Chinesa de Ciências, encomendou em dezembro de 2022 uma linha de produção de baterias de íons de sódio em escala de gigawatt-hora e anunciou uma linha de produtos de baterias de íons de sódio e um protótipo de carro elétrico.

A fabricante europeia de baterias Northvolt revelou células de bateria de íons de sódio validadas de 160 Wh/kg em novembro de 2023. Desenvolvida com a Altris – desmembrada da Universidade de Uppsala, na Suécia – a tecnologia será usada no dispositivo de armazenamento de energia de próxima geração da empresa. A oferta atual da Northvolt é baseada na química NMC. No lançamento, Wilhelm Löwenhielm, diretor sênior de desenvolvimento de negócios da Northvolt para sistemas de armazenamento de energia, disse que a empresa quer uma bateria que seja competitiva com a LFP em escala. “Com o tempo, espera-se que a tecnologia supere significativamente a LFP em termos de competitividade de custos”, disse ele.

A Northvolt quer uma bateria “plug-and-play” para entrada rápida no mercado e aumento de escala. “As principais atividades para trazer essa tecnologia específica ao mercado são escalar a cadeia de suprimentos de materiais para baterias, o que a Northvolt está fazendo atualmente, juntamente com parceiros”, disse Löwenhielm.

Players menores também estão fazendo sua parte para trazer a tecnologia de íons de sódio para comercialização. A Faradion, que foi adquirida pelo conglomerado indiano Reliance Industries em 2021, diz que agora está transferindo seu projeto de célula de próxima geração para a produção. “Desenvolvemos uma nova tecnologia de célula e pegada com densidade de energia 20% maior e aumento da vida útil do ciclo em um terço em comparação com nosso projeto de célula anterior”, disse o CEO da Faradion, James Quinn. As células de primeira geração da empresa demonstraram uma densidade de energia de 160 Wh/kg.

Em 2022, Quinn disse que o plano da Reliance era construir uma fábrica de íons de sódio de dois dígitos gigawatts na Índia. Por enquanto, parece que esses planos ainda estão em vigor. Em agosto de 2023, o presidente da Reliance Mukesh Ambani disse na reunião anual de acionistas da empresa que o negócio está “focado na comercialização acelerada de nossa tecnologia de bateria de íons de sódio (…) Construiremos nossa liderança tecnológica industrializando a produção de células de íons de sódio em um nível de megawatt até 2025 e rapidamente construiremos em gigaescala depois disso”, disse ele.

Produção

A startup Tiamat avançou em seus planos de iniciar a construção de uma planta de produção de 5 GWh na região de Hauts-de-France, na França. Em janeiro de 2024, levantou € 30 milhões (US$ 32,4 milhões) em financiamento de capital e dívida e disse que espera concluir o financiamento de seu projeto industrial nos próximos meses, elevando o financiamento total para cerca de € 150 milhões. A empresa, uma spinoff do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França, fabricará inicialmente células de íons de sódio para ferramentas elétricas e aplicações de armazenamento estacionário em sua fábrica, “para atender aos primeiros pedidos que já foram recebidos”. Mais tarde, terá como alvo a produção em escala de produtos de segunda geração para aplicações em veículos elétricos a bateria.

Nos Estados Unidos, os players do setor também estão aumentando seus esforços de comercialização. Em janeiro de 2024, a Acculon Energy anunciou a produção em série de seus módulos e pacotes de baterias de íons de sódio para aplicações de mobilidade e armazenamento de energia estacionária e revelou planos para escalar sua produção para 2 GWh até meados de 2024. Enquanto isso, a Natron Energy, uma spinoff da Universidade de Stanford, pretendia começar a produzir em massa suas baterias de íons de sódio em 2023. Seu objetivo era produzir 600 MW de células de íons de sódio na fábrica de íons de lítio da produtora de baterias Clarios International, em Meadowbrook, em Michigan. No entanto, as atualizações sobre o progresso foram limitadas.

Financiamento

Em outubro de 2023, a Peak Energy surgiu com US$ 10 milhões em financiamento e uma equipe de gestão composta por ex-executivos da Northvolt, Enovix, Tesla e SunPower. A empresa disse que inicialmente importará células de bateria e isso não deve mudar até o início de 2028. “Você precisa de cerca de um bilhão de dólares para uma fábrica de gigawatts de pequena escala – pense em menos de 10 GW”, disse o CEO da Peak Energy, Landon Mossburg, no lançamento. “Portanto, a maneira mais rápida de chegar ao mercado é construir um sistema com células disponíveis de terceiros, e a China é o único lugar que constrói capacidade para enviar células suficientes”. Eventualmente, a empresa espera se qualificar para créditos de conteúdo doméstico sob a Lei de Redução da Inflação dos Estados Unidos.

Alguns fornecedores, como a indiana KPIT, entraram no espaço sem planos de produção. O negócio de software automotivo e soluções de engenharia revelou sua tecnologia de baterias de íons de sódio em dezembro de 2023 e embarcou em uma busca por parceiros de fabricação. Ravi Pandit, presidente da KPIT, disse que a empresa desenvolveu várias variantes com densidade de energia variando de 100 Wh/kg a 170 Wh/kg, e potencialmente atingindo 220 Wh/kg. “Quando começamos a trabalhar em baterias de íons de sódio, a expectativa inicial de densidade de energia era bastante baixa”, disse ele. “Mas nos últimos oito anos a densidade energética tem vindo a aumentar por causa dos desenvolvimentos que nós e outras empresas temos vindo a realizar.” Outros estão em busca de parcerias de fornecimento. No ano passado, o grupo finlandês de tecnologia Wärtsilä – um dos principais integradores de sistemas de armazenamento de energia de baterias do mundo – disse que estava buscando potenciais parcerias ou aquisições no campo. Na época, estava se movendo para testar a tecnologia em suas instalações de pesquisa. “Nossa equipe continua comprometida em buscar novas oportunidades em termos de diversificação de tecnologias de armazenamento de energia, como a incorporação de baterias de íons de sódio em nossas futuras soluções estacionárias de armazenamento de energia”, disse Amy Liu, diretora de desenvolvimento de soluções estratégicas da Wärtsilä Energy Storage and Optimization, em fevereiro de 2024.

Oportunidade de nearshoring

Após muitos anúncios de produção em massa, as baterias de íons de sódio estão agora no ponto de ruptura e o interesse dos investidores determinará o destino da tecnologia. A análise de mercado da IDTechEx, realizada em novembro de 2023, sugere um crescimento previsto de pelo menos 40 GWh até 2030, com mais 100 GWh de capacidade de fabricação dependendo do sucesso do mercado até 2025.

“Essas projeções pressupõem um boom iminente na indústria [de baterias de íons de sódio], que depende de compromisso comercial nos próximos anos”, disse Siddiqi.

O íon de sódio pode oferecer mais uma oportunidade para cadeias de suprimento de energia limpa próximas à costa, com as matérias-primas necessárias tão prontamente disponíveis em todo o mundo. No entanto, parece que o trem já deixou a estação. “Assim como nos estágios iniciais do mercado de baterias de íons de lítio, o principal gargalo para a indústria global será o domínio da China”, disse Hartley, da Benchmark. “Em 2023, 99,4% da capacidade das células de íons de sódio estava baseada na China e esse número só deve cair para 90,6% até 2030. À medida que a política na Europa e na América do Norte busca deslocar as cadeias de suprimentos de baterias de íons de lítio para longe da China, devido à dependência de sua produção doméstica, também será necessária uma mudança no mercado de íons de sódio para criar cadeias de suprimentos localizadas”.