Como os desenvolvimentos científicos e tecnológicos poderiam trazer o silício

Jun 20, 2023

Sila Nanotechnologies é uma desenvolvedora de materiais para baterias cuja tecnologia inovadora, chamada “Titan Silicon”, é um ânodo de silício nanocomposto (NCS).

Os materiais da empresa impulsionam melhorias no desempenho da bateria em dispositivos eletrônicos de consumo e destinam-se a alimentar veículos elétricos (EVs), começando com a série Mercedes-Benz G-Class.

Em uma entrevista à Fastmarkets, Yushin investigou os desenvolvimentos que trouxeram o NCS da empresa à viabilidade para ânodos com predominância de silício e o que o material oferece aos fabricantes de EV e baterias.

Yushin acredita que a tecnologia pode ajudar a aliviar a escassez de oferta e a disparidade geográfica na produção de outra matéria-prima importante para baterias (BRM) – o grafite.

Ao contrário da maior parte do grafite mundial, o NCS da Sila é fabricado nos EUA, o que significa que está alinhado com o ímpeto renovado do Ocidente para garantir as cadeias de abastecimento de mais matérias-primas – especialmente aquelas críticas para a transição energética.

Embora o silício e os seus compostos tenham sido anteriormente utilizados em quantidades limitadas em ânodos, foram os desenvolvimentos mais recentes que permitiram que o material fosse utilizado em concentrações mais elevadas em ânodos – superando especialmente os desafios relacionados com a degradação da bateria.

Ao oferecer uma capacidade maior em comparação com o grafite usado tradicionalmente, os eletrodos baseados em NCS são mais finos, reduzindo a distância de difusão de íons de lítio e ajudando a gerar benefícios de custo, explicou Yushin.

A tecnologia também oferece maior densidade de energia (o Titan Silicon aumenta a densidade de energia em até 40%) e carregamento mais rápido em comparação com as atuais baterias de íons de lítio (LIBs) baseadas em grafite, disse ele.

Yushin calculou que, no seu limite, o custo dos LIBs de ânodo de grafite permanecerá em torno de US$ 100/kWh no nível do pacote.

Os ânodos e cátodos NCS de próxima geração da Sila, disse Yushin, “ajudarão a reduzir os custos do pacote LIB para US$ 50/kWh, tornando-os uma tecnologia adequada para alimentar o crescente mercado de EV”.

A equipe de modelagem de custos de células da Fastmarkets estima que o ânodo normalmente representa 10-15% do custo total de uma célula típica de níquel-cobalto-manganês (NCM), com o cátodo contribuindo com 50-60%.

“Embora as melhorias no ânodo sejam importantes para o carregamento rápido, a vida útil e o desempenho geral, são os avanços no lado do cátodo (bem como a redução dos preços das matérias-primas do cátodo) que realmente reduzirão o custo geral da célula. Melhorar os processos de fabricação e minimizar o desperdício em gigafábricas também desempenhará um papel importante”, disse Muthu Krishna, modelador de custos de células da Fastmarkets.

“A densidade de energia da célula depende tanto do ânodo quanto do cátodo, principalmente de suas capacidades e potenciais eletroquímicos”, disse Yushin.

“O NCS de altíssima capacidade, em combinação com cátodos de próxima geração, permitirá um aumento de duas vezes na densidade de energia… Isso significa que seriam necessárias 50% menos células para que o pacote LIB oferecesse aproximadamente a mesma energia”, disse ele.

O tamanho e o preço de um pacote LIB seriam cerca de 50% menores, de acordo com Yushin.

“Observe que os mesmos cátodos da próxima geração não podem oferecer grandes melhorias de desempenho quando acoplados a ânodos de grafite”, disse ele.

Esses desenvolvimentos levaram a uma grande mudança na forma como os ânodos à base de silício são percebidos.

“Há uma década, devido às dificuldades científicas e tecnológicas para superar numerosos desafios técnicos, a maioria das pessoas na indústria não acreditava que os ânodos de silício pudessem se tornar realidade em breve”, disse Yushin.

“A principal questão que ouvimos agora é quão rápido podemos aumentar a produção de Titan Silicon para atender às demandas de TWh”, acrescentou.

Nos últimos anos, algumas empresas líderes de baterias começaram a introduzir pequenas quantidades de material de óxido de silício produzido no Japão ou na China em ânodos de grafite para melhorar ligeiramente a densidade ou taxa de energia LIB, evitando a degradação excessiva.

No entanto, a ideia de ânodos com predominância de silício estava fora de questão, disse Yushin.

“Agora, o Titan Silicon pode ser usado em excesso [50% em peso] ou substituir totalmente o grafite nos ânodos”, disse ele.