Tecnologia de materiais essenciais para o setor de veículos de energia nova

Baterias, semicondutores e materiais de alcance a laser

1 Introdução

Como a conscientização sobre a gravidade das questões ambientais continua a crescer, os veículos movidos a energia nova estão substituindo cada vez mais os veículos tradicionais movidos a combustível, com o tamanho do mercado mostrando uma tendência de crescimento sustentado. A otimização do desempenho e os avanços tecnológicos dos materiais da bateria - os principais componentes dos veículos movidos a energia nova -, dos materiais semicondutores para componentes de controle inteligente e dos materiais de alcance a laser para componentes de detecção ambiental tornaram-se gradualmente as principais áreas de concorrência do setor.

O desempenho da bateria, como a principal fonte de energia, é um dos fatores mais importantes que os consumidores consideram ao escolher produtos para veículos de energia nova. O equilíbrio entre a capacidade da bateria e o volume/peso determina diretamente o alcance do veículo; enquanto isso, o risco de fuga térmica é o risco de segurança mais crítico para baterias de energia, e o desempenho de dissipação de calor dos materiais da bateria afeta significativamente o fator de segurança do veículo. Os semicondutores de nível automotivo enfrentam desafios compostos relacionados à eficiência, à potência de computação e aos problemas da cadeia de suprimentos. Os transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) tradicionais baseados em silício sofrem com altas perdas de comutação, o que prejudica a eficiência energética dos sistemas de acionamento elétrico. Além disso, a potência computacional necessária para a direção autônoma (>100 TOPS) é limitada pelas baixas taxas de rendimento dos chips de processos avançados de nível automotivo (taxas de rendimento abaixo de 50% para processos abaixo de 7nm). A capacidade global de produção de microcontroladores automotivos (MCU) é altamente concentrada em poucos fabricantes, o que resulta em uma fraca resiliência da cadeia de suprimentos.

As soluções se concentram em materiais semicondutores de banda larga: os módulos de energia de carbeto de silício (SiC) podem reduzir as perdas de acionamento elétrico em 50% e aumentar a autonomia em 5%; o setor está avançando na produção em massa de substratos de SiC de 6 polegadas para aumentar a estabilidade do fornecimento. O principal desafio do lidar está no equilíbrio entre precisão e custo. As soluções mecânicas oferecem alta precisão (±2 cm), mas custam mais de US$ 5.000 por unidade; as soluções de estado sólido (como o Flash/optical phased array) apresentam uma redução de 40% na capacidade de alcance sob condições de luz forte. Os avanços tecnológicos dependem da integração direta do chip de tempo de voo (dToF): usando lasers de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSELs) e matrizes de diodo de avalanche de fóton único (SPAD) para obter precisão de alcance em nível milimétrico (por exemplo, o chip VL53L8). A aplicação de componentes ópticos em nível de wafer reduziu os custos para a faixa de US$ 500, tornando viável a implantação do LiDAR em grande escala. A fusão de dados multissensor é o principal caminho para obter uma direção autônoma de alta confiabilidade

Fig. 1 Baterias de veículos de energia nova

2 Baterias de energia: A revolução evolutiva dos portadores de energia

2.1 Iteração do sistema de materiais: Do líquido ao sólido

Comparação das tecnologias de baterias de íons de lítio líquido:

Fosfato de lítio-ferro (LFP): oferece vantagens de alta segurança e baixo custo (temperatura de decomposição do material >500°C), mas enfrenta limitações de densidade de energia (valor típico: 160-180 Wh/kg). O desempenho em baixas temperaturas é limitado (taxa de retenção de capacidade de -20°C <70%), mas apresenta excelente vida útil (>4.000 ciclos com taxa de retenção de capacidade de 80%).

Materiais ternários (NCM/NCA): Densidade de energia significativamente melhor (220-300 Wh/kg), mas estabilidade térmica ruim (temperatura de início de fuga térmica do NCM811 <180°C). A dependência de recursos de níquel e cobalto leva a uma volatilidade de custo significativa (as flutuações de preço do cobalto podem chegar a ±30% ao ano), e os materiais com alto teor de níquel aceleram a decomposição do eletrólito.

Fig. 2 Vida útil da bateria NCM

Os avanços tecnológicos em baterias de estado sólido se concentram na segurança intrínseca e na melhoria da densidade de energia, mas precisam superar os desafios de condução de interface e de escalabilidade. As principais vantagens estão em duas áreas: a natureza não inflamável dos eletrólitos de estado sólido elimina o risco de fuga térmica dos eletrólitos orgânicos, alcançando a segurança intrínseca da bateria; a aplicação de ânodos de lítio metálico rompe os limites teóricos de capacidade dos ânodos de grafite, permitindo um potencial de densidade de energia superior a 500 Wh/kg. No entanto, os principais desafios técnicos dificultam a industrialização: a impedância da condutividade iônica da interface sólido-sólido resulta em condutividade em temperatura ambiente geralmente abaixo de 10^-3 S/cm; a extrema sensibilidade dos eletrólitos de sulfeto à umidade e ao oxigênio (decomposição instantânea quando expostos ao ar) impede seriamente a produção em larga escala; os custos atuais dos materiais são mais de três vezes maiores do que os sistemas de baterias líquidas, exigindo urgentemente a colaboração da cadeia de suprimentos para tratar de questões de modificação da interface, controle da atmosfera e redução de custos do processo.

Fig. 3 Diagrama esquemático da estrutura em camadas de uma bateria de estado sólido

2.2 Inovação estrutural e atualizações de fabricação

A tecnologia de empacotamento integrado (CTP/CTC) melhora significativamente a utilização do volume da bateria em 15% a 20% ao eliminar as camadas da estrutura do módulo. Casos típicos mostram que a tecnologia CTP de terceira geração pode alcançar um avanço na densidade de energia do sistema de 255 Wh/kg. No campo dos processos de fabricação avançados, a tecnologia de eletrodo seco elimina a etapa de secagem com solvente, reduzindo o consumo de energia da produção em até 30%. A tecnologia de pré-litização aplicada simultaneamente compensa de forma eficaz a perda de lítio durante o primeiro ciclo, melhorando a eficiência inicial em 5% a 10% e prolongando a vida útil do ciclo. As otimizações de processos relacionados foram validadas por meio da industrialização.

2.3 Economia circular: Sistema de tecnologia regenerativa

As baterias de energia aposentadas (com capacidade remanescente de 70% a 80%) passam por triagem e recondicionamento eletroquímico, permitindo seu uso secundário em sistemas de armazenamento de energia da rede (com precisão de redução de pico de mais de 95%) ou como fontes de energia para veículos elétricos de baixa velocidade, alcançando uma redução de 40% nos custos de utilização secundária. No processo de reciclagem de material, a tecnologia hidrometalúrgica emprega um sistema de lixiviação ácida de ácido sulfúrico e peróxido de hidrogênio (H₂SO₄-H₂O₂) combinado com extração por solvente de fosfato de di(2-etil-hexila) (D2EHPA), alcançando taxas de recuperação de metal de mais de 90% para lítio, cobalto e níquel, com pureza do produto que atende aos padrões de grau de bateria (pureza de carbonato de lítio >99,5%). O Regulamento de Baterias e Resíduos de Baterias da UE (2023) exige uma taxa de recuperação de lítio de pelo menos 80% até 2031, impulsionando a padronização das tecnologias globais de reciclagem.

Fig. 4 Fluxograma do processo metalúrgico úmido para reciclagem de baterias

3 Semicondutores automotivos: O principal portador do controle inteligente

3.1 Evolução da eficiência energética dos dispositivos de potência

Os MOSFETs de carbeto de silício (SiC) estão substituindo gradualmente os IGBTs à base de silício. Suas características de banda larga suportam operação em alta temperatura acima de 200 °C, reduzem as perdas de comutação de alta frequência em 50% e melhoram significativamente a eficiência dos sistemas de acionamento elétrico (aumentando a faixa em 3 a 5%). Essa tecnologia foi aplicada a inversores de acionamento principal e carregadores de bordo (OBC). Embora a tecnologia de empacotamento de módulos tenha feito avanços, os wafers epitaxiais de substrato de SiC continuam altamente dependentes da cadeia de suprimentos internacional, o que representa riscos de capacidade.

3.2 Avanços na tecnologia de chip de sensor

O núcleo do LiDAR usa a tecnologia de tempo de voo direto (dToF) e inclui duas soluções: a faixa de pulso e as matrizes de diodo de avalanche de fóton único (SPAD). O kit receptor integrado (chip APD+TIA+ToF) pode atingir precisão de ±10 mm e recuperação de sobrecarga em nível de 10ns. Os sensores de várias zonas (como uma matriz de 64 pixels) suportam alcance de 285 cm com forte resistência à interferência de luz, permitindo o reconhecimento de gestos no veículo e sistemas de monitoramento de ocupantes.

Fig. 5 SPAD e matrizes SPAD: Da detecção de fóton único às plataformas de geração de imagens em nível de sistema

3.3 Arquitetura de chip de controle computacional

Os cockpits inteligentes e os controladores de domínio de direção autônoma são dominados por chips de alto desempenho (como as soluções da Qualcomm/NVIDIA). Os microcontroladores (MCUs) de nível automotivo devem passar pela certificação de segurança funcional ISO 26262 ASIL-D, com limites de desenvolvimento focados no controle de taxas de falhas (<10 FIT) e na garantia de atrasos de resposta em tempo real (< 50 μs).

4 Tecnologia de alcance a laser: Implementação precisa da percepção ambiental

4.1 Comparação de abordagens técnicas

dToF (tempo de voo direto): Calcula a distância (d=c-Δt/2) medindo o atraso de ida e volta (Δt) dos pulsos de laser, com precisão milimétrica, alcance quilométrico e fortes recursos anti-interferência.

iToF (tempo de voo indireto): Depende da diferença de fase entre as formas de onda transmitidas e recebidas, tem custo relativamente baixo, mas é suscetível à interferência da luz ambiente (erro > 40% em luz forte).

Fig. 6 Diagrama esquemático do alcance por pulso de laser

4.2 Arquitetura do dispositivo principal do dToF

A extremidade do transmissor do sistema de tempo de voo direto (dToF) usa um laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL) de 940 nm, que está em conformidade com o padrão de segurança ocular IEC 60825-1 e mantém o consumo de energia abaixo de 2 W. O receptor consiste em um fotodiodo de avalanche (APD), um amplificador de transimpedância (TIA) e um conversor de tempo para digital (TDC) trabalhando em conjunto: o APD atinge uma taxa de resposta fotocondutora >50 A/W no comprimento de onda de 905 nm, o TIA fornece uma largura de banda de 290 MHz e garante um tempo de recuperação de sinal <10 ns, e o TDC atinge uma resolução de tempo de 20 ps para um alcance preciso. O sistema óptico emprega elementos ópticos difrativos (DOE) para controle de feixe de várias regiões, com aplicações típicas, como uma arquitetura de varredura de 64 zonas, fornecendo a base para a detecção de resolução espacial.

Fig. 7 Sistema VCSEL

4.3 Limites de desempenho do cenário de aplicação

Em cenários de alta precisão de curto alcance (como sistemas de estacionamento automático), a tecnologia dToF pode atingir uma precisão de posicionamento de ±1 cm em um intervalo de <10 metros, mas requer a supressão algorítmica da interferência de múltiplos caminhos causada por reflexos no solo. Para detecção dinâmica de longo alcance (como ADAS de alta velocidade), o alcance confiável além de 200 metros depende da combinação de emissores de laser de pulso de alta potência de pico e matrizes de diodo de avalanche de fóton único (SPAD) de vários megapixels para superar a atenuação atmosférica e a degradação da relação sinal-ruído causada por alvos em movimento.

5 Estrutura de sinergia industrial: A integração de vários materiais impulsiona a inovação do sistema

A evolução tecnológica dos novos veículos de energia depende da profunda integração dos sistemas de armazenamento de energia da bateria, das unidades de controle de semicondutores e dos dispositivos de detecção a laser em vários campos físicos. No nível do fluxo de energia, os módulos de potência de carbeto de silício (SiC) reduzem as perdas de comutação em 50%, permitindo que as plataformas de alta tensão de 800 V suportem o carregamento rápido de baterias de estado sólido com taxa de 4 C e, ao mesmo tempo, reduzam a carga dos sistemas de gerenciamento térmico; a coordenação do fluxo de informações envolve o processamento em tempo real de dados de nuvem de pontos lidar (dToF) por um controlador de domínio (com mais de 100 TOPS de capacidade de computação), ajustando dinamicamente a potência de saída da bateria (com um atraso de resposta inferior a 100 ms) para obter a alocação ideal da eficiência do torque; A coordenação do fluxo de segurança é obtida pela fusão de dados multissensor do conjunto de baterias (temperatura/tensão/deformação) com dados de detecção de obstáculos a laser, acionando dispositivos SiC para desligamento em 2 microssegundos para evitar a propagação de fuga térmica.

5.1 Estudo de caso de colaboração em nível de componente principal

A cadeia de proteção de segurança de carregamento ultrarrápido demonstra uma interação típica: uma estação de carregamento ultrarrápido de 480 kW emite 800 V de alta tensão para o carregador de bordo SiC (OBC), fazendo com que a bateria de estado sólido carregue a uma taxa de 4 C. Quando o gradiente de temperatura da bateria excede 5°C, o chip de gerenciamento térmico gera um sinal PWM para ativar a bomba de resfriamento, enquanto um laser de emissão de superfície de cavidade vertical (VCSEL) monitora simultaneamente a temperatura com precisão de ±0,1°C, formando um sistema de proteção de três níveis de "monitoramento de laser - limitação de corrente dinâmica BMS - desligamento de SiC". O cenário do controle de cruzeiro adaptativo destaca a otimização da eficiência energética: O lidar detecta a distância do veículo à frente com precisão de ±10 cm até 200 metros, o controlador de domínio (potência de computação de 128 TOPS) calcula o torque necessário, o chip de energia ajusta a frequência de comutação (16 kHz a 50 kHz) e o sistema de bateria produz 30-150 kW de energia conforme necessário (com flutuação de SOC <1% por quilômetro). Essa cadeia colaborativa foi validada para aumentar o alcance em 12% nas condições do WLTC.

5.2 Desafios e avanços na interação da interface de materiais

A interferência eletromagnética (EMI) entre baterias e semicondutores afeta a precisão dos sistemas de gerenciamento de baterias. O uso de filmes de blindagem nanocristalinos pode atingir mais de 30 dB de atenuação. O problema do ruído térmico dos chips ToF a laser é resolvido com o resfriamento do substrato de germânio-silício (SiGe) em 50°C para melhorar a relação sinal-ruído. Os deslocamentos ópticos causados pelas vibrações da bateria são resolvidos com o uso de algoritmos de alinhamento ativo (com precisão de compensação de ±0,05°). O modelo do Boston Consulting Group indica que essas tecnologias sinérgicas poderiam reduzir o custo de todo o veículo em 18% até 2030, com o valor derivado de um aumento de 40% no valor de reutilização da bateria, uma melhoria de 15% na eficiência de energia do semicondutor para alcance estendido e uma redução nos custos de lidar para US$ 500 por unidade por meio de ganhos sistêmicos.

6 Conclusão

O desenvolvimento de novos veículos de energia passou de inovações tecnológicas individuais para um estágio de sinergia sistemática entre baterias, semicondutores e materiais a laser. Esses três elementos formam um ecossistema tecnológico de ciclo fechado por meio de uma profunda interação nos fluxos de energia, informação e segurança.

Na dimensão de energia, os módulos de potência de carbeto de silício reduzem as perdas de comutação em 50%, permitindo que a plataforma de 800 V atinja uma taxa de 4C de carregamento rápido e, ao mesmo tempo, reduza as cargas de gerenciamento térmico da bateria; na dimensão de informações, os dados da nuvem de pontos lidar são processados em tempo real pelo controlador de domínio (com latência <100 ms), otimizando dinamicamente a saída de energia da bateria e a distribuição de torque; na dimensão de segurança, um mecanismo de fusão de vários sensores aciona o desligamento de dispositivos semicondutores em 2 microssegundos para evitar a propagação de fuga térmica.

Essa sinergia gera benefícios significativos em vários domínios: a eficiência aprimorada do semicondutor aumenta o alcance em 12% (sob condições WLTC), os custos de lidar são reduzidos para US$ 500 por unidade, o valor de reutilização da bateria aumenta em 40% e o sistema gera uma redução de 18% nos custos do veículo até 2030. Os avanços futuros se concentrarão na transmissão sinérgica de interface entre baterias de estado totalmente sólido e semicondutores de banda larga (GaN-on-SiC), detecção e computação integradas em chips fotônicos e o desenvolvimento de superlentes orientadas por IA (eficiência de difração superior a 90%) e materiais de blindagem eletromagnética (atenuação superior a 50 dB). Somente rompendo as barreiras disciplinares entre a ciência dos materiais, a optoeletrônica e a eletroquímica é que o veículo inteligente de próxima geração poderá alcançar uma revolução de paradigma tecnológico caracterizada por "segurança intrínseca, eficiência ultra-alta e reciclagem sustentável".

A Stanford Advanced Materials tem orgulho de apoiar os líderes do setor com seu portfólio abrangente desses materiais adaptados para baterias, semicondutores e tecnologias a laser. Convidamos pesquisadores e fabricantes a colaborar conosco e aproveitar nossa experiência para impulsionar o futuro dos veículos inteligentes, eficientes e sustentáveis de energia nova.