O compromisso europeu dos 30 milhões de veículos elétricos (VEs) até 2030 está muito dependente da capacidade de se produzir internamente e em larga escala baterias altamente eficazes e de alto desempenho. Com esse objetivo em mente, um consórcio de 15 parceiros europeus, que inclui a Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (FEUP), está a trabalhar no sentido de desenvolver tecnologias de fabrico de baterias de estado sólido, encaradas como uma possível solução para melhorar a densidade de energia e a segurança das baterias.

Denominado PULSELiONPUlsed Laser depoSition tEchnology for soLid State battery manufacturIng supported by digitalization – o projeto receberá 7 milhões de euros nos próximos quatro anos ao abrigo do Programa Horizonte da União Europeia.

Estão envolvidos peritos internacionais de institutos de investigação europeus, parceiros tecnológicos e industriais, um utilizador final de baterias da indústria automóvel e parceiros de disseminação e exploração da Suécia, Finlândia, Holanda, Bélgica, França, Espanha, Portugal, Itália, Eslovénia e da Áustria.  A coordenação do projeto está a cargo do RISE – Research Institute em Estocolmo (Suécia).

Helena Braga, responsável pelo Materials for Energy Research Group (MaTER) da FEUP, lidera o grupo de investigação português destacado neste consórcio, que conta também com a participação do INEGI. Em conjunto, as duas instituições vão mobilizar um orçamento de cerca de 900 mil euros.

Para a FEUP e, em particular, para os jovens investigadores do MatER, esta colaboração representa a possibilidade de trabalhar com parceiros dos principais centros de investigação e desenvolvimento de baterias de estado sólido e aferir métodos e conhecimentos com os seus pares, contribuindo, ao mesmo tempo, para o processo criativo da Ciência Europeia em prole de um armazenamento de energia sustentável.

De acordo com Helena Braga, as células de bateria de iões de lítio com materiais ativos convencionais estão a atingir os seus limites em termos de densidades de energia, provocando em larga medida problemas de segurança com a utilização de eletrólito líquido inflamável. Um obstáculo que se torna ainda mais crítico com a recente introdução de materiais avançados feitos para aumentar a tensão das células e as taxas de carga rápida.

“Há uma necessidade urgente de desenvolvimento de tecnologias inovadoras de fabrico escaláveis baseadas em novos eletrólitos sólidos que também podem ser combinados com lítio metálico no ânodo, levando ao aumento significativo da densidade energética aumentada”, reforça a docente da FEUP, cuja área de investigação de eleição envolve precisamente a criação de uma nova geração de baterias.

 A inovação das baterias de estado sólido

Os investigadores ligados ao PULSELiON acreditam que só os eletrólitos de estado sólido permitem ultrapassar as limitações das pilhas em termos de carga armazenada, densidade de energia e segurança (reduzindo o risco de formação de dendritos de lítio), o que levará a uma maior estabilidade eletroquímica e térmica intrínseca.

Desenvolver um processo de fabrico de baterias de estado sólido da Geração 4b é o grande objetivo. A adaptação de uma nova técnica de deposição de laser pulsado para um processo de vácuo de etapa única para o fabrico seguro e eficiente de componentes anódicos compostos de lítio-metal, camadas protetoras e eletrólitos sólidos à base de sulfureto será fundamental. A camada catódica vai basear-se em técnicas convencionais de processamento a húmido.

Inicialmente, estas camadas anódicas e catódicas serão desenvolvidas em pequena escala para fazer células de moedas e células monocamada, o que permitirá otimizar os materiais e o processo.

As células de estado sólido serão então desenvolvidas com rotinas de processo otimizadas e serão aumentadas para uma linha piloto de prova de conceito (TRL 6) através do fabrico em grande escala de baterias de estado sólido de 10 Ah. A digitalização será incorporada na tarefa de modelização do processo – geminação digital – com as entradas obtidas a partir de tarefas de melhoramento de processos e testes de células, promovendo uma otimização eficiente do processo.

O laboratório MatER da FEUP irá contribuir especialmente para os testes de impedância e eletroquímicos dos eletrólitos e células de moedas com cátodos de baixa concentração em cobalto.