O seu potencial pode ser constatado ao observar o grande número de empresas em fase inicial que desenvolvem principalmente materiais de ânodo, a maioria delas focadas no silício, em comparação com outras áreas de desenvolvimento de iões de lítio.

O interesse reside no potencial do silício para aumentar significativamente a densidade energética das baterias, uma vez que a sua capacidade é uma ordem de grandeza superior à do grafite, material comummente utilizado. A densidade energética ao nível da célula poderia quase duplicar em comparação com o estado da arte atual, o que ofereceria vantagens claras para a autonomia dos veículos elétricos e a duração da bateria dos smartphones. Além disso, o silício pode também melhorar o desempenho das células de menor consumo energético, como as de fosfato de ferro-lítio (LFP), reduzindo a diferença em relação às células de óxido de níquel-manganês-cobalto (NMC) e minimizando a principal desvantagem das LFP, especialmente para veículos elétricos a bateria. Cálculos da IDTechEx estimam que a incorporação de 20% de silício num ânodo poderá aumentar a densidade energética em 17%.

O problema da utilização do silício como ânodo é a sua longevidade, ou melhor, a falta dela. As variações de volume que sofre durante os ciclos levam ao consumo de eletrólito e lítio, além de provocarem tensões mecânicas que, em última análise, resultam numa perda de condutividade elétrica e iónica. A incorporação de porosidade, aditivos para o eletrólito e redes condutoras e de junção são algumas das soluções que estão a ser desenvolvidas. O silício apresenta também um menor risco de formação de dendrites, enquanto a porosidade e os aditivos condutores, normalmente necessários, contribuem ainda mais para a capacidade de carregamento rápido e para o funcionamento a baixas temperaturas. No geral, os ânodos de silício representam uma proposta muito promissora, e as empresas já estão a publicitar células com ciclos de vida razoáveis, demonstrando que a principal desvantagem do silício está prestes a ser ultrapassada.

Os ânodos de lítio metálico também demonstram um grande potencial para melhorar a densidade de energia, mas, mais uma vez, sofrem de uma vida útil curta. Além disso, apresentam um maior risco de formação de dendrites e curto-circuitos. Os eletrólitos de estado sólido estão a ser amplamente desenvolvidos como solução, mas estão também a ser explorados projetos que utilizam uma fina barreira protetora e um eletrólito líquido estável como meio de viabilizar os ânodos de lítio metálico. De facto, a utilização de um sistema separador/eletrólito mais convencional pode ser benéfica para a densidade de energia e para a facilidade de fabrico, embora as vantagens de segurança da utilização de um eletrólito sólido necessitem de ser reduzidas. Uma vez resolvidos alguns dos problemas técnicos e de desempenho do silício e do lítio metálico, a chave para o sucesso destas soluções será começar a focar-se na forma como podem ser fabricadas em escala e integradas nos processos de fabrico de baterias existentes. Com vantagens e desvantagens semelhantes, a questão final não será se utilizar silício ou lítio, mas sim a aplicação de uma inovação ou solução específica.

Para além da densidade energética, o carregamento rápido é outra métrica fundamental com potencial para ganhar destaque. Os ânodos de silício podem ser adequados para carregamento rápido, e as alegações sobre as capacidades de carregamento rápido das células baseadas em lítio-metal sugerem que também estão a ser feitas melhorias nesta área, embora o desempenho necessite de ser verificado em projetos de células comercialmente relevantes. Mas algumas aplicações podem exigir tanto capacidade de carregamento rápido como uma vida útil muito longa, para além dos 1.000 ciclos normalmente possíveis com Si ou Li. A Toshiba, a Echion e a Nyobolt estão a desenvolver outros materiais de ânodo inovadores, baseados em óxidos de nióbio e tungsténio, que prometem tempos de carregamento de 5 a 6 minutos e vidas úteis de vários milhares de ciclos, mas com densidades de energia inferiores às do LFP.

Embora estes materiais ofereçam vantagens a longo prazo, as suas densidades de energia comparativamente baixas impedem-nos de serem utilizados em veículos elétricos e na maioria dos dispositivos de consumo, embora existam aplicações em que esta elevada potência e longa vida útil possam ser extremamente valiosas. Assim sendo, o grafite, seguido pelo silício e pelo lítio metálico, serão os principais materiais de ânodo na próxima década. A IDTechEx prevê que a procura de material de ânodo de silício, em termos de peso, cresça a uma taxa de crescimento anual composta de 45% entre 2022 e 2032. Para mais informações sobre as tecnologias avançadas de materiais de ânodo, participantes e mercados, consulte o novo relatório da IDTechEx, “Baterias Avançadas de Ião-Lítio e Além do Lítio 2022–2032: Tecnologias, Participantes, Tendências, Mercados”. Para mais informações sobre a investigação da IDTechEx sobre baterias de estado sólido, baterias ou mercados de veículos elétricos, visite www.IDTechEx.com.