Challenger UFABC

A Universidade Federal do ABC (UFABC) é uma instituição pública federal de ensino superior do ABC paulista fundada em 2004.

Melhor universidade do Estado de SP no Índice Geral de Cursos (IGC) do MEC e primeiro lugar no ranking de cursos de graduação entre todas as universidades do Brasil.

Atualmente possui 21 cursos de graduação e cerca de 39 laboratórios à disposição, além de 25 entidades estudantis cobrindo desde áreas de engenharia aeroespacial e robótica, até as de cunho social.

O SAE Brasil & Ballard Student H2 Challenge, organizado pela Sociedade de Engenheiros Automotivos, é a primeira competição de Baja e Fórmula SAE elétricos movidos à hidrogênio do mundo.

Seu objetivo é transferir conhecimento e experiência sobre as tecnologias do hidrogênio para as universidades brasileiras em parceria com engenheiros experientes da indústria nacional e internacional.

A equipe Challenger Electric Racing Team esta muito feliz de poder anunciar que concluímos em 3 LUGAR esse desafio e pudemos garantir a capacitação dos membros e as conexões com grandes empresas!

Agradecemos ao apoio de todos que puderam colaborar com o nosso projeto!

artigo INMETRO CRIA “FÓRUM GRAFENO” COM REPRESENTANTES INTERNOS E EXTERNOS À INSTITUIÇÃO VISANDO ESTIMULAR O DIÁLOGO ENTRE EMPRESAS, ICT’S E GOVERNO

por Joyce Rodrigues de Araujo

Oobjetivo do “Fórum Grafeno” é promover o diálogo entre empresas, instituições de ciência e tecnologia (ICT’s) e governo e ser um Lócus de discussão para a criação de uma agenda de entendimentos e ações coordenadas no País para tratar de assuntos relevantes à comercialização de produtos à base de grafeno.

O “Fórum Grafeno” surgiu como um desdobramento do Painel Setorial Grafeno, evento que ocorreu no Inmetro em 13 de abril de 2022, sendo um espaço aberto pelo Inmetro para que as empresas e outras ICT’s discutam suas questões mais urgentes na temática da padronização e certificação de grafeno aplicados à nanocompósitos, tintas e estruturas da construção civil. Dentre os principais tópicos que estão sendo tratado no fórum, destacam-se: 1) Aspectos tributários envolvendo a comercialização de produtos à base de grafeno. 2) Demandas a serem levadas para a ABNT em relação à nomenclatura e padronização de métodos de medição em nanomateriais/grafeno. 3) Barreiras técnicas encontradas para comercialização de produtos à base de grafeno. 4) Requisitos técnicos para homologação e homologação parcial de materiais à base de grafeno. 5) Harmonização de métodos e rotinas industriais de controle de qualidade para verificação de propriedades de interesse de matrizes contendo grafeno.

Um dos setores candidatos a utilização de grafeno em seus produtos é o setor automotivo, que hoje é cotado por outros setores da indústria para alavancar a produção em larga escala do grafeno. Porém, o maior gargalo para que isto aconteça é ter a confiabilidade necessária para manter as propriedades chave em uma mistura grafeno-matriz polimérica pré-fabricada. A mistura parte da formulação de um concentrado do aditivo (grafeno, no caso) ou carga em forma de grãos, tipicamente conhecido como masterbatch, que é utilizado para incorporar propriedades adicionais à resina termoplástica desejada. Na cadeia produtiva do setor automobilístico, a empresa vem processando misturas de grafeno incorporando os masterbatches à resina, sendo que tipicamente estes insumos são comprados de terceiros, muitas vezes de empresas estrangeiras, como no caso do grafeno. O fabricante destes materiais geralmente fornece um certificado que atesta as propriedades de interesse, tais como porcentagem de impurezas, números de camadas, tamanho e forma da nanopartícula, nível de defeitos, etc.

Desta forma, a montadora não “enxerga” o grafeno que está inserido na matriz, mas sim a matéria-prima final, cujo certificado de qualidade, chamado na indústria de “homologação” é gerado uma única vez. O responsável técnico na linha de produção, o chamado “sistemista” compra o master de grafeno confiando em seu certificado. No estágio atual da certificação dos produtos à base de grafeno que já se encontram no mercado, ainda não há confiança se os materiais que circulam atendem aos requisitos técnicos especificados em normas, e se o material existente na formulação é realmente grafeno ou grafite, não tendo confiança em relação a um material ou peça produzida a partir desta matéria-prima. A partir do momento em que o material ou peça recebe a homologação, este é inse-

rido em um banco de dados que fica acessível para qualquer engenheiro desenhar o produto.

Sem a garantia das propriedades da mistura fornecida com o grafeno que já se encontra homologado no sistema, caso haja uma falha a partir do uso da peça em campo, todo o processo de produção fica comprometido. Este é um problema que as indústrias processadoras de misturas utilizando matéria-prima de grafeno encontram - enquadrar tais misturas a critérios de normas visando assegurar as propriedades declaradas nos certificados.

Em resumo, se existir confiabilidade na matéria-prima usada, o setor poderá ser alavancado no país. Para remediar a falta de confiança que existe no setor, é imprescindível a existência de normas para qualificar os diversos tipos de grafeno existentes no mercado no que tange às suas propriedades físico-químicas, dimensionais, estruturais, térmicas e mecânicas que, consequentemente, influenciam nas propriedades das misturas na macroescala, como, por exemplo, resistência à tração, dureza, fadiga, resistência ao impacto etc.

Algumas normas vêm sendo redigidas de forma consensual no comitê internacional ISO desde 2017, tais como a norma ISO/TS 80004-13 (Nanotechnologies – Vocabulary – Part 13: Graphene and related two-dimensional (2D) materials) que traz definições fundamentais sobre o que é grafeno, a norma ISO/TR 19733:2019 (Nanotechnologies — Matrix of properties and measurement techniques for graphene and related two-dimensional (2D) materials) que é um relatório técnico tratando de aspectos de caracterização de grafeno e, por último a ISO/TS 21356-1 (Nanotechnologies – Structural characterization of graphene – Part 1: Graphene from powders and dispersions), norma que foi publicada em 2021 trazendo metodologias e procedimentos de medição de grafeno.

Uma outra questão que está sendo discutida é em relação a comercialização nacional do grafeno e produtos derivados, tais como o seu enquadramento correto no âmbito econômico, seguindo a normativa NCM (Nomenclatura Comum do MERCOSUL). O código NCM faz parte do sistema de classificação regional para o bloco, adotado em 1995 para o comércio exterior entre Argentina, Brasil, Paraguai e Uruguai, e desde 2013 para o comércio doméstico no Brasil. Formalmente, não existem no âmbito econômico, o grafeno e seus derivados, sendo neste caso tributados como “outras formas de carbono” pelo código NCM 28030090. Dessa forma, as empresas solicitaram o apoio do Inmetro junto ao Ministério da Economia, para que essa questão seja resolvida o que contribuirá para que as empresas alcancem competitividade, incluindo incentivos fiscais, se tratando de nova tecnologia. A falta de uma base fiscal para o grafeno, não tendo um código NCM próprio, é um entrave para que as empresas tenham segurança na produção e comercialização de produtos à base de grafeno.

Como funciona a tabela NCM1?

As mercadorias estão ordenadas sistematicamente na NCM, a priori, de forma progressiva, de acordo com o seu grau de elaboração, principiando pelos animais vivos e terminando com as obras de arte, passando por matérias-primas e produtos semiacabados. Assim, de modo geral, à medida que cresce a participação do homem na elaboração da mercadoria, mais elevado é o número do Capítulo em que ela será classificada. Os seis primeiros dígitos da NCM seguem, por convenção internacional, o SH e seus dois últimos dígitos são definidos pelo Mercosul. A NCM tem a seguinte estrutura: • São seis regras gerais para Interpretação do Sistema Harmonizado e duas regras gerais complementares; • Notas de Seção, de Capítulo, de Subposição e Complementares; • Lista ordenada de códigos em níveis de posição (4 dígitos), subposição (5 e 6 dígitos), item (7 dígitos) e subitem (8 dígitos), distribuídos em 21 Seções e 96 Capítulos.

Figura 2. Imagem de amostras de diversos tipos de grafeno produzidas nos laboratórios do Campus do Inmetro em Xerém, Duque de Caxias-RJ.

O sistema NCM, como mencionado no texto supracitado, é baseado no Sistema Harmonizado de Codificação e Descrição de Mercadorias , mais conhecido como sistema harmonizado ou, simplesmente HS, uma nomenclatura de produtos internacionais multiuso desenvolvida pela Organização Mundial das Aduanas (OMA). São mais de 5.000 grupos de mercadorias classificados, cada um identificado por um código de seis dígitos. Mais de 98% das mercadorias no comércio internacional são classificadas em termos de HS. A classificação HS é revisada a cada cinco ou seis anos e a última revisão foi em 2021, com entrada em vigor em 01/01/2022, daí a sigla HS 2022.

O sistema HS é a base de todos os sistemas regionais e nacionais, já que a harmonização internacional demanda que os primeiros 6 dígitos coincidam em todos eles. Os sistemas regionais acrescentam dois dígitos para deixar a classificação mais específica quando necessário, ou seja, o código de seis dígitos é subdividido em mais de uma categoria. Se não ocorre essa necessidade, o sistema regional simplesmente acrescenta 00 ao código HS.

Voltando à questão dos códigos para grafite e derivados, o sistema HS usa um código para o grafite natural e outro para grafite e outros preparados: • HS 250410 – Grafite natural, em pó ou em flocos; • HS 380190 – Grafite ou outros preparados baseados em carbono; na forma de pastas, blocos, discos ou outros semimanufaturados [Graphite or other carbon based preparations; in the form of pastes, blocks, plates or other semi-manufactures].

No código HS 380190: • 38 indica “Chemicals and related products, n.e.s. (not elsewhere especified)” • 3801 indica “Artificial graphite; colloidal or semi-colloidal graphite; preparations based on graphite or other carbon in the form pastes, blocks, plates or other semi-manufactures”, subdivididos

em: • 380110 – Graphite; artificial • 380120 – Graphite; colloidal or semi-colloidal • 380130 – Carbonaceous pastes; for electrodes and similar pastes for furnace linings • 380190 – Graphite or other carbon based preparations; in the form of pastes, blocks, plates or other semi-manufactures

Verifica-se que não há, de fato, uma classificação exclusiva para o grafeno e seus derivados, mas o grafeno, em variadas formas, se encaixa na subposição 380190. Tabelas sobre comércio exterior, disponíveis em sites como o do Banco Mundial, trazem estatísticas de importação sob o código HS 380190 e mencionam vários produtos relacionados a grafeno, como: • Graphene oxide [for lab purpose] • Graphene oxide sheets [for lab purpose] • Graphene oxide flakes 15-20 sheets [for lab purpose] • Graphene oxide powder (dry) • Graphene oxide dispersion in water • Reduced graphene oxide [for lab purpose] • High surface area graphene oxide 500mg • Graphene nanoplatelets powder oxidized [for lab purpose] • Graphene nanoribbons [for lab purpose]

Figura 4. Imagem de uma monocamada de grafeno obtida por microscopia eletrônica de transmissão, coletada no microscópio eletrônico de transmissão - modelo Titan 80-300 kV, fabricante FEI Company, no Núcleo de Laboratórios de Microscopia do Inmetro.

Como a última revisão da classificação HS ocorreu em 2021, a próxima ocorrerá em 2026 ou 2027. Durante os próximos anos os Ministérios da Economia e das Relações Exteriores podem ser sensibilizados a levar à OMA o pleito da criação de uma nova subposição sob a posição 3801 para o grafeno e seus derivados. Haveria que se preparar um arrazoado sobre a necessidade de sua criação, com fortes argumentos a serem considerados. Pode-se também criar um item na subposição 380190, na Nomenclatura Comum do Mercosul. Isso seria, a princípio, muito mais fácil, pois dependeria somente da concordância dos países do bloco e não de 184 membros, como ocorre na OMA.

Sabe-se que há um forte apelo industrial pela matéria-prima grafeno e o conhecimento científico sobre grafeno já se encontra bastante amadurecido, já que, nos últimos anos houve um grande avanço no desenvolvimento de protocolos de medição das técnicas analíticas para determinação de suas propriedades. O Brasil já tem maturidade e know-how no tema e muitas instituições acadêmicas estão envolvidas no assunto. No entanto, quando observa-se o processo de produção de produtos contendo grafeno, por ser um tema inerentemente de inovação, ainda existe um grande desafio do ponto de vista normativo, fiscal e técnico e científico.

A ideia do “Fórum Grafeno” é trazer todas as questões relevantes à discussão, gerando um movimento sincronizado entre empresas, ICT’s e governo em direção das tratativas e soluções pertinentes, podendo ajudar na aceleração do processo de produção em larga escala de produtos contendo grafeno, a partir de métodos reprodutíveis e normalizados que garantam o controle de qualidade em todas as etapas do processo.

Joyce Rodrigues de Araujo, Chefe Substituta da Divisão de Metrologia de Materiais; Diretoria de Metrologia Científica e Tecnologia (Dimci)Divisão de Metrologia de Materiais (Dimat) (21) 2145-3045 | www.inmetro.gov.br

GRAFENO PARA VEÍCULOS ELÉTRICOS

por Stephen Hodge, Jim Barnett, Andrew Whitehead, Paul Denney, Les Bell, Suhao Li, John Benson, Mayank Gautam, Pei Yang, Jorge Valle, Roberto Clemente, Neill Ricketts

Introdução Os últimos anos testemunharam um aumento na adoção de veículos movidos a combustíveis alternativos além dos veículos com motor de combustão interna (ICEVs - internal combustion engine vehicles); estes incluem veículos elétricos híbridos (HEVs - hybrid electric vehicles), veículos elétricos híbridos plug-in (PHEVs - plug-in hybrid electric vehicles), veículos elétricos a bateria (BEVs -battery electric vehicles) e veículos elétricos a célula de combustível (FCEVs - fuel cell electric vehicles).

Em 2020, um relatório do Comitê de Mudanças Climáticas do Reino Unido (CCC - Climate Change Committee) sobre a transição para veículos elétricos (EVs - electric vehicles) [1], destaca essa etapa como uma das ações mais importantes para atingir a meta Net Zero do Reino Unido. Até 2032, o mais tardar, o CCC pediu que todos os novos veículos leves vendidos, incluindo veículos de passageiros, táxis, vans, motocicletas e ciclomotores, sejam veículos totalmente elétricos a bateria. Para atingir o Net Zero, todos os veículos – incluindo veículos pesados (HGVs -heavy-goods vehicles ) – devem ser livres de combustível fóssil até 2050. Para veículos de passageiros e vans, isso significará acelerar a aceitação de EVs de ~1% de todos os veículos do Reino Unido hoje para 23,2 milhões até 2032 (~55%), visando 49,0 milhões (100%) até 2050.

Este relatório [1] também afirma que, para atingir essas metas, o governo e a indústria do Reino Unido devem implementar uma série de políticas e mecanismos de mercado, ao mesmo tempo em que abordam as emissões de transporte mais amplas por meio da redução do uso de veículos. Embora as etapas necessárias para reduzir as emissões de transporte mais amplas sejam complexas, o caminho para uma transição completa para veículos elétricos de passageiros é claro e relativamente direto.

Figura1. Esquema mostrando as principais oportunidades para grafeno em aplicações automotivas, usado com permissão

Tecnologias disruptivas, como os EVs, enfrentam barreiras no mercado porque frequentemente se comparam inferiormente aos projetos dominantes existentes, como os ICEVs, em termos de preço e funcionalidades do produto [2]. A autonomia é uma das principais considerações ao comprar um veículo elétrico, mas há muitos outros fatores a serem levados em consideração. As milhas por quilowatt-hora (kWh), preço e tempo de carregamento são apenas três exemplos.

Atualmente no mercado estão os EVs que oferecem autonomias de 137 milhas (aprox. 200 km) (Honda e) - 412 milhas (aprox. 663 km - Tesla Model S Long Range). Embora a ansiedade de dirigir seja um medo de muitos motoristas de ICEV, na verdade a maioria dos proprietários de EVs não tem esses problemas, já que a viagem média no Reino Unido é inferior a 10 milhas [3], o que significa que não há necessidade de carregar um veículo por até uma semana em alguns casos.

No entanto, de acordo com o RAC (Royal Automobile Club) [4], é improvável que os EVs atinjam o alcance elétrico citado pelos fabricantes, pois vários fatores afetarão o alcance real do EV: • Idade da bateria - o declínio médio no armazenamento de energia é de 2,3% ao ano. Isso significa que um veículo elétrico com autonomia de 150 milhas perderá 17 milhas de alcance acessível após cinco anos. A taxa de declínio diminui nos anos posteriores. • Tamanho da bateria - Geralmente, quanto maior o tamanho da bateria (medido em kWh), mais longe você poderá viajar. • Estilo de condução e fatores externos - a autonomia diminuirá se aumentar as velocidades e se forem utilizados sistemas de ar condicionado, por exemplo. O alcance cai ainda mais se a temperatura cair abaixo de zero, o que significa menor autonomia no inverno, o que é exacerbado pela maior dependência dos ventiladores, aquecedor e acessórios, como assentos aquecidos.

Embora a mudança para EVs seja vista como uma opção ecologicamente correta em relação aos ICEVs, de acordo com a European Public Health Alliance (EPHA), as melhorias na qualidade do ar devido à mudança para EVs não significam que a poluição não proveniente de exaustão deva ser ignorada [5]. A poluição por partículas de freios e pneus, por exemplo, deve ser reduzida em todos os veículos o mais rápido possível.

O desgaste dos pneus é responsável por até 50% das emissões de partículas no ar do transporte rodoviário e é um desafio significativo enfrentado pelos EVs mais do que os ICEVs existentes [3]. Os EVs têm mais peso em comparação com os ICEVs e precisam suportar alto torque instantâneo, causando mais desgaste. A regulamentação rigorosa das emissões de gases de escape pela UE

significa que os carros novos emitem muito pouca poluição por partículas, no entanto, a poluição do desgaste dos pneus não está atualmente regulamentada e pode ser potencialmente 1000 vezes pior, de acordo com os consultores de engenharia da Emissions Analytics [7].

Isolado pela primeira vez em 2004 por dois pesquisadores da Universidade de Manchester, o grafeno é uma rede hexagonal de átomos de carbono em uma camada de espessura de um único átomo - referido como um material bidimensional. O grafeno de camada única tem algumas propriedades muito impressionantes além do grafite “pai”, em particular, propriedades mecânicas, térmicas, elétricas e ópticas excepcionais. O grafeno de camada dupla e de poucas camadas tem propriedades que medem nas mesmas faixas do grafeno de camada única, mas à medida que o número de camadas aumenta, essas propriedades tendem a reduzir significativamente. Hoje, temos toda uma família de grafeno e materiais em camadas relacionados à nossa disposição, com amplas propriedades que permitem substituir materiais convencionais ou desenvolver tecnologias completamente novas, que podem aliviar ou resolver alguns dos desafios atuais enfrentados pelos EVs.

Embora as aplicações de grafeno para EVs sejam potencialmente vastas, conforme descrito na Fig. 1, neste relatório, estudos de caso selecionados de pesquisa, desenvolvimento e comercialização de aplicações baseadas em grafeno no setor automotivo foram destacados em três grandes áreas: • Compostos • Armazenamento e geração de energia • Sensores e conectividade

Compósitos Leveza estrutural

Os compósitos de polímero reforçado com fibra reforçada com grafeno (FRP - fibre reinforced polymer) são a solução para atender à necessidade de materiais leves de próxima geração inovadores e multifuncionais, especialmente para o setor automotivo. A ampla gama de possibilidades de combinações de grafeno e fibra/ polímero e a adaptabilidade de suas propriedades permitem que ele seja usado em uma ampla gama de aplicações automotivas.

Entre os compósitos de FRP, os compósitos de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP - carbon fibre reinforced polymer) devido à sua resistência excepcionalmente alta em relação ao peso e suas propriedades inerentes de absorção de energia [8,9] os tornam um candidato adequado para substituir vários componentes automotivos de metal. Um veículo de tamanho médio pode alcançar uma economia de peso médio de 37% a 45% ao empregar compostos CFRP [7], além disso, os compostos CFRP já estão sendo usados em vários componentes automotivos versáteis para aplicações estruturais e não estruturais, incluindo membros de chassi, interiores cosméticos, peças do motor, sistemas de freio, bancos e painéis da carroceria.

Com o sucesso do monocoque no carro elétrico de passageiros i3 da BMW, mais fabricantes estão buscando a rota do CFRP com benefícios para a fabricação, clientes e meio ambiente. Ao usar um monocoque de CFRP, ele teve uma economia de peso geral de 250-350 kg do veículo geral, em comparação com o uso de materiais convencionais [11]. Cada economia de peso de ~45 kg resulta em uma redução de combustível de 2-3%, permitindo que o cliente se beneficie diretamente. As rodas híbridas compostas de carbono e alumínio lançadas pela BMW resultaram em ~7 kg de economia de peso e uma redução significativa nas massas não suspensas e rotativas [12].

Após a adição de grafeno na resina polimérica de CFRPs, as propriedades mecânicas podem ser aprimoradas ainda mais, aumentando a rigidez, a resistência ao cisalhamento interlaminar e o módulo. Isso pode permitir uma maior economia de peso devido às menores quantidades de material a serem necessárias para corresponder a uma condição específica. Um excelente exemplo disso é o carro esportivo Mono R Model da Briggs Automotive Company lançado em 2019, incorporando painéis de fibra de carbono aprimorados com grafeno em todos os painéis da carroceria, levando a economia de peso e alcançando aceleração de 0 a 100 km / h em 2,5 segundos [13]. Além do Mono R, a W Motors com sede nos Emirados Árabes Unidos lançou o Fenyr SuperSport, cujo exterior é feito à mão com compostos CFRP aprimorados com grafeno, tornando-os “ultra-leves para o melhor desempenho” [14].

Figura 2. Foto da Lotus Evija (topo), usada com permissão. Capô Lotus Evija de CFRP reforçado com grafeno produzido como parte do programa TDAP (abaixo).

A subsidiária da Versarien 2-DTech Ltd. (2DT) tem trabalhado extensivamente na área de CFRP aprimorado com grafeno para várias aplicações, muitas das quais podem ser aplicadas ao setor automotivo. A 2DT recebeu uma doação do Programa de Aceleração do Desenvolvedor de Tecnologia (TDAP - Technology Developer Accelerator Program) do Centro de Propulsão Avançado (APC - Advanced Propulsion Centre) em 2020 para desenvolver um componente inovador de baixo carbono que resultará na redução das emissões dos veículos. O projeto TDAP supervisionou o desenvolvimento de um componente automotivo de baixo peso e alta resistência que pode ser aplicado diretamente em várias áreas de qualquer veículo. A 2DT desenvolveu uma parceria com a Lotus Cars, o Centro de Pesquisa e Manufatura Avançada da Universidade de Sheffield (AMRC - Advanced Manufacturing and Research Centre) e outros parceiros da cadeia de suprimentos. O resultado do projeto é um conjunto de capô CFRP aprimorado com grafeno para o carro esportivo elétrico Lotus Evija (Fig. 2). O CFRP aprimorado com grafeno no Lotus Evija Bonnet alcançou três objetivos principais: 1. Mecânico - melhora o desempenho mecânico em pelo menos 10% em comparação com o material pré-impregnado de base (material fibroso pré-impregnado com uma resina sintética específica) 2. Visual - Qualidade da superfície para atender às especificações de pintura da Lotus 3. Preço - Alcance uma redução de preço de 10% (aumento de 25%)

Todos os três objetivos foram alcançados usando um processo de produção de prensa a quente com custos de capital mais baixos e tempo TAKT mais rápido que a autoclave. O desenvolvimento adicional continuará à medida que o 2DT e a Lotus otimizarem ainda mais o processo para uso em qualquer painel de carroceria. A Versarien tem vários outros projetos em andamento que contribuem para o desenvolvimento de CFRPs aprimorados para suportes estruturais convencionais, que podem fornecer uma alternativa inovadora para fabricantes automotivos, aeroespaciais e ferroviários.

Elastômeros de pneus

O Santo Graal do desenvolvimento de pneus sempre foi manter o equilíbrio ideal entre resistência ao rolamento, resistência à abrasão e aderência em piso molhado, o chamado “triângulo mágico”. A interpretação prática por trás desses três pilares está relacionada à economia de combustível, vida útil e manuseio na estrada.

Cargas de reforço como negro de fumo e sílica têm sido amplamente empregadas como ingredientes primários de aprimoramento em formulações de borracha para adequar o desempenho para atender às demandas da indústria de pneus. No entanto, o uso de negro de fumo tornou-se um desafio devido à sua produção dependente de óleo e considerável emissão de gases de efeito estufa [15], enquanto a aplicação de sílica é limitada pela baixa compatibilidade com borrachas não polares e uma tendência a aglomerar durante o processamento.

Recentemente, o grafeno tem sido visto como uma alternativa aos enchimentos tradicionais, aumentando o reforço no pneu com maior resistência geral e desempenho mecânico dinâmico que reduz a resistência ao rolamento, mantendo a aderência em piso molhado [16,17]. O grafeno também tem as vantagens de aumentar a resistência a trincas, desgaste e dissipação de calor dos elastômeros sob carregamento repetido, o que prolonga a vida útil do pneu [18-20].

O grafeno é usado em pneus de bicicleta pelo fabricante europeu Vittoria desde 2015; eles também anunciaram uma nova gama de pneus em 2019. Seus pneus Graphene 2.0 foram usados pelas equipes vencedoras na Vuelta a España e no Tour de France [21]. Isso foi logo seguido por um anúncio da Goodyear para lançar sua própria linha de pneus carregados de grafeno chamada Dynamic:GSR, relatando que a borracha é capaz de oferecer baixa resistência ao rolamento, melhor aderência em piso seco e molhado e durabilidade a longo prazo [22]. ]. Durante um estudo de desenvolvimento de 18 meses conduzido pela Gatomic, pneus com grafenos de engenharia de superfície foram testados em estradas reais no Reino Unido, concluindo um aumento de 30% na resistência ao desgaste em relação aos pneus de marcas concorrentes - equivalente a uma quilometragem adicional de 30% antes de ser necessário substituir o pneu [23].

A subsidiária da Versarien 2DT está atualmente trabalhando com pneus ENSO para explorar os benefícios da incorporação de grafeno nas formulações de pneus. Os resultados preliminares mostram que o grafeno da Versarien é duas vezes mais eficaz que a sílica no reforço de pneus, melhorando a elasticidade e a resistência ao rasgo. Essas melhorias permitem uma redução da massa do pneu devido ao uso de menos sílica. Além disso, existem teorias bem estabelecidas de que o fator de perda, Tan ẟ, da Aná-

lise Mecânica Dinâmica (DMA – Dynamic Mechanical Analysis) a 60oC e 0oC é proporcional à perda de energia e pode ser indicativo para a estimativa de resistência ao rolamento e aderência em piso molhado, respectivamente [24,25]. A Fig. 3 demonstra que, ao adicionar o grafeno da Versarien, os pneus contribuirão para um menor consumo de energia e melhor manuseio na estrada através de um menor Tan ẟ a 60oC e um valor mais alto a 0oC. No geral, está oferecendo o desenvolvimento de pneus mais “verdes” e leves.

“Os pneus são um grande poluidor global, contribuindo enormemente para as emissões de carbono, poluição do ar, poluição por microplásticos oceânicos, toxicidade e montanhas de resíduos não recicláveis em fim de vida. O mercado de veículos elétricos em rápido crescimento também apresenta um desafio ainda maior para o nosso planeta, pois os veículos elétricos são mais pesados e têm maior torque, desgastando os pneus mais rapidamente e criando uma poluição ainda mais prejudicial dos pneus”.

Gunnlaugur Erlendsson, CEO ENSO

A Versarien está trabalhando em estreita colaboração com o ENSO para resolver isso, desenvolvendo melhores pneus EV, tornando-os mais eficientes em termos energéticos, duráveis e sustentáveis. Isso permitirá que o ENSO amplie o alcance dos veículos elétricos (reduzindo o CO2 da geração de eletricidade) e melhore a durabilidade dos pneus (melhorando a qualidade do ar e reduzindo a poluição por microplásticos oceânicos), incorporando de forma sustentável materiais de base biológica em vez de materiais de combustível fóssil (reduzindo ainda mais o impacto do CO2).

No entanto, abordar a questão da poluição dos pneus requer não apenas fabricar pneus melhores para VEs, mas uma mudança fundamental nos modelos de negócios subjacentes e nos incentivos financeiros da indústria de pneus, que está no centro da missão da ENSO. A ENSO está, portanto, procurando combinar seus melhores pneus EV com um melhor modelo de negócios ‘Direct-to-Consumer’, uma combinação circular única que já recebeu tração substancial com fabricantes de veículos elétricos e grandes frotas de veículos elétricos.

Gerenciamento térmico

A geração de calor dentro de automóveis pode causar danos extensos a vários componentes mecânicos e elétricos se não for gerenciado corretamente. A grande maioria da geração de calor é perdida como emissões de energia desperdiçadas, contribuindo para reduzir a eficiência e aumentar a pegada de carbono. As baterias de íons de lítio sofrem muito com o autoaquecimento, reduzindo a vida útil e a confiabilidade da bateria. Desenvolvimentos para auxiliar no aumento dos métodos de transferência de calor que permitem o resfriamento dos componentes da bateria têm ressurgido o interesse com a incorporação de materiais de grafeno.

Testes mostraram que dissipadores de calor integrados com grafeno podem auxiliar a tecnologia de resfriamento e produzir uma distribuição de calor mais baixa e mais uniforme pelas células da bateria, resultando em um método de resfriamento leve mais eficiente [26]. Esse método não apenas aumenta a eficiência do resfriamento, mas também aumenta a eficiência da bateria. O calor gerado pela bateria e outras fontes também pode ser usado para aquecer efetivamente outros aspectos do carro, como a cabine interna e, mais importante, para EVs, áreas de aquecimento suscetíveis a ambientes de baixa temperatura.

A Hyundai e a Kia estão atualmente inovando nesta área de tecnologia [27]. O Hyundai Kona EV reduz apenas 10% da vida útil da bateria em condições de direção no inverno, em comparação com o Tesla Model 3 2020, que em seu teste viu uma queda na autonomia de 40% devido ao maior consumo da bateria. Recentemente, o Model Y da Tesla integrou um sistema de bomba de calor que move o calor, em vez de gerá-lo, em torno dos componentes do EV e da cabine interna. Isso, por sua vez, aumenta a autonomia que, de outra forma, seria reduzida pelas temperaturas ambientais externas [28]. O grafeno, quando aplicado a esse método de gerenciamento térmico, pode fornecer um impulso mais eficiente ao desempenho em relação aos materiais convencionais.

Além disso, pesquisadores da Universidade de Manchester descobriram uma maneira pela qual o grafeno pode converter 3-5% do calor do motor de um carro em eletricidade. O material compósito, composto por grafeno e óxido de titânio estrôncio, tem a capacidade de produzir corrente elétrica em uma ampla faixa de temperaturas, até a temperatura ambiente. A tecnologia termoelétrica usando grafeno pode fornecer um benefício significativo para as próximas gerações de veículos híbridos [29].

Ruído, vibração e aspereza (NVH – Noise, vibration and harshness)

A poluição sonora de veículos, seja de ICEVs ou EVs, é uma grande fonte de preocupação ambiental em todas as grandes cidades. Esses poluentes sonoros podem induzir efeitos psicológicos adversos à saúde humana. Com um número cada vez maior de veículos nas estradas em todo o mundo, há pedidos de uma nova geração de amortecedores de ruído, vibração e aspereza (NVH) que podem combater os ruídos internos e externos gerados durante a condução. O veículo NVH pode criar uma percepção vital do cliente sobre a qualidade do produto, com conforto físico e acústico sendo um fator importante para a fabricação de componentes para atender a essa demanda. Há uma tendência crescente de re-visualizar produtos NVH para veículos elétricos e movidos a hidrogênio.

As fontes primárias de NVH veicular incluem o motor, a caixa de câmbio, os diferenciais e os modos de vibração estrutural dos sistemas de exaustão; as fontes secundárias de NVH incluem freios, acessórios elétricos e mecânicos [30]. Muitos desses fatores podem ser resolvidos com a aplicação de materiais isolantes NVH aprimorados com grafeno. Especificamente, os polímeros aprimorados com grafeno têm se mostrado um excelente material de absorção acústica que pode absorver em uma ampla faixa de frequência. O grafeno tem a capacidade única de absorver frequências que variam de 60 Hz a 6300 Hz [31]. Predominantemente, o ruído automotivo interno encontra-se na faixa acústica de 100 a 600Hz, porém isso pode se estender para frequências de até 4000Hz [32], o que torna o grafeno um candidato ideal para cobrir todas as faixas acústicas para aplicações automotivas.

Uma ampla gama de estruturas de espuma de grafeno está em desenvolvimento mostrando absorção acústica aprimorada, incluindo poliuretano e melamina contendo grafeno [33,34]. Especificamente, espumas de melamina contendo grafeno mostraram absorver cerca de 60% mais ruído em frequências entre 128 Hz e 4000 Hz em comparação com espumas de melamina disponíveis comercialmente [2]. As estruturas de espuma são excelentes inibidores de NVH devido à estrutura porosa que permite espaços de ar para absorção de energia. A estrutura de lamelas na qual a energia NVH é absorvida resulta em maiores reflexões entre as folhas de grafeno, oferecendo potencial para propriedades de absorção aprimoradas, reduzindo assim a reverberação entre as estruturas de conexão. Um exemplo recente de espumas aprimoradas com grafeno foi comercializado pela Ford Motor Company, que já desenvolveu vários componentes do motor, incluindo bombas e tampas do motor contendo espumas de poliuretano aprimoradas com grafeno, melhorando o NVH em 17%. Existem agora mais de 12 componentes de espuma usados em todo o carro em várias linhas de veículos, incluindo o F-150 e o Mustang. A Ford planeja expandir o uso de espumas aprimoradas com grafeno em mais veículos no futuro [35,36].

Sistemas de armazenamento e geração de energia

Os EVs abriram um grande número de oportunidades para tecnologias de armazenamento de energia (ES - energy storage), com novos e empolgantes desafios e requisitos. Entre os vários dispositivos ES, baterias e supercapacitores representam as duas principais tecnologias de armazenamento de energia eletroquímica, conforme ilustrado em um gráfico de densidade de energia em Wh/kg vs densidade de potência em W/kg conhecido como gráfico de Ragone (Fig. 5). O atual motor de combustão interna fornece alta densidade de energia (~1000 Wh/kg) e densidade de potência (~106 W/kg), enquanto as atuais baterias de íons de lítio (Li-ion) fornecem significativamente menos energia (~180 Wh/kg) e densidades de energia (~1000 vezes menos), portanto, o peso da bateria é tipicamente significativo. A bateria do Tesla Model S, por exemplo, pesa 544 kg ~24% da massa total do carro (2241 kg) [37].

Obviamente, há uma grande oportunidade a ser encontrada no desenvolvimento de sistemas ES com carregamento mais rápido, maior densidade de energia e leveza sendo as principais tendências automotivas. À medida que a mudança para a eletrificação se acelera, os pacotes ES são necessários em números cada vez maiores para fornecer não apenas carros, mas também uma ampla gama de outros veículos. O padrão atual nesta nova era EV ainda é a bateria Li-ion. Já uma tecnologia madura, ainda tem espaço para melhorias e com um mercado grande e crescente entre as aplicações, seu desenvolvimento continuará por algum tempo.

Baterias de íon de lítio

A maioria das baterias de íons de lítio usa um eletrodo negativo (ânodo) feito principalmente de carbono na forma de grafite e um eletrodo positivo (cátodo). O eletrólito usado nas baterias de íons de lítio varia de acordo com a escolha dos materiais do eletrodo, mas normalmente é composto por uma mistura de sais de lítio (por exemplo, LiPF6) e um solvente orgânico (por exemplo, carbonato de dietil) para permitir a transferência de íons. Uma membrana de separação é usada para permitir que os íons de lítio passem entre os eletrodos, evitando um curto-circuito interno. As baterias de íon-lítio envolvem reações de inserção de ambos os eletrodos, onde os íons de lítio atuam como portadores de carga, mostrado na Fig. 6. Existem várias químicas de células diferentes que compõem a família de baterias de íon-lítio.

O grafeno pode desempenhar um papel fundamental na melhoria do desempenho da bateria de íons de lítio em vários níveis diferentes. Os fabricantes de baterias de íon-lítio estavam inicialmente relutantes em introduzir inovações potencialmente disruptivas, mas as demandas dos clientes por alcance cada vez maior, carregamento mais rápido e vida útil prolongada da bateria estão levando a uma maior disposição por parte dos OEMs de adotar a inovação. Algumas empresas, como a California Lithium Battery Inc., estão pressionando para comercializar o grafeno como substituto do grafite nos ânodos das baterias de íons de lítio [40]. A subsidiária da Versarien, Gnanomat (Espanha), está desenvolvendo construções de ânodo de silício-grafeno e estanho-grafeno (como um substituto para grafite) que oferece grandes oportunidades para melhorar a capacidade da bateria, condutividade elétrica e potência. Outra área em que o grafeno pode melhorar o desempenho da bateria de íons de lítio é a dissipação/ gerenciamento térmico, aproveitando a alta condutividade térmica do grafeno, conforme descrito anteriormente.

Geralmente, os cátodos são óxidos metálicos mistos - compostos de intercalação dos quais os íons Li+ podem se difundir para dentro ou para fora. Exemplos bem conhecidos de materiais utilizados incluem óxido de cobalto de lítio (LiCoO2), fosfato de ferro de lítio (LiFePO4), óxidos de manganês-cobalto de lítio (NMC) e óxido de manganês de lítio (LiMn2O4). Desenvolvida pela primeira vez pela Sony em 1991, a bateria LiCoO2 tem sido a bateria de escolha para a maioria dos eletrônicos pessoais (laptops, câmeras, tablets, etc.) devido à sua alta densidade de energia, longo ciclo de vida e facilidade de fabricação. No entanto, eles sofrem de baixa estabilidade térmica e devem ser monitorados durante a operação para garantir o uso seguro. A disponibilidade limitada de cobalto também torna mais caro e difícil ser uma opção viável para uso em VEs. Desenvolvimentos recentes das empresas britânicas Nyobolt e Echion Technologies em ânodos à base de nióbio oferecem uma oportunidade para carregamento ultrarrápido [41].

Baterias metal-arq

As baterias de metal-ar são dispositivos ES que possuem excelentes propriedades de densidade de energia e são muito mais leves em comparação com as baterias de íons de lítio. Outra

Figura 5. Gráfico de Ragone ilustrando os desempenhos de potência específica versus energia específica para diferentes tecnologias de armazenamento de energia elétrica. Os tempos mostrados no gráfico são o tempo de descarga, obtido pela divisão da densidade de energia pela densidade de potência. Reimpresso com permissão da ref. [38]. Direitos autorais © 2018, American Chemical Society.

grande vantagem é que os componentes não são apenas ecologicamente corretos, mas totalmente recicláveis no final da vida útil [42]. A estratégia de implementação percebida da tecnologia de baterias pós-íon-lítio é trabalhar em conjunto com outros sistemas ES quando os requisitos de energia e energia tornam as baterias de metal-ar mais apropriadas para a aplicação em questão. A Tesla tem algumas patentes nesta área de tecnologia que reivindicam a combinação de uma bateria de metal-ar e uma bateria de iões de lítio que podem resultar numa maior autonomia. Várias outras empresas, como Phinergy, MAL Research and Development Ltd. e Log9 Materials, também estão desenvolvendo baterias metal-ar para trazer essa tecnologia para o setor automotivo.

A nanotecnologia está idealmente posicionada para contribuir para o desenvolvimento de baterias metal-ar pela introdução de grafeno em diferentes componentes. Catalisadores de baterias metal-ar podem ser otimizados aproveitando a alta área de superfície específica do grafeno e a possibilidade de introduzir grupos funcionais ou nanopartículas catalíticas que, por sua vez, podem melhorar esse componente crítico do dispositivo. Onde espumas porosas foram usadas como cátodos em baterias de metal-ar, a aplicação de grafeno produziu uma eficiência de ida e volta de até 80% com uma tensão de descarga estável em 2,8 V e uma tensão de carga estável abaixo de 3,8 V por 20 ciclos [43]. Outros materiais relacionados ao grafeno, como a família de dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs), foram observados exibindo atividade eletrocatalítica muito alta para uso em baterias de lítio-ar [44].

Figura 6. Uma ilustração esquemática do princípio de funcionamento das baterias de íons de lítio baseadas no cátodo LixC6/Li1−xCoO2. Durante o processo de descarga, os íons de lítio são liberados de um ânodo de grafite litiado (LixC6) para um cátodo Li1-xCoO2 delitiado. Durante o processo de carregamento, a reação é inversa. Reproduzido da ref. [39]. https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ Baterias de íon de sódio

O sódio é um dos metais mais abundantes e acessíveis do mundo que pode reduzir o custo das baterias. No entanto, um desafio significativo enfrentado é que os íons de sódio são maiores que os íons de lítio e têm interações complexas com o grafite, levando a uma (des)intercalação ruim. Recentemente, pesquisadores da Chalmers University of Technology, na Suécia, apresentaram um conceito [45] que permite que as baterias de íons de sódio correspondam à capacidade das baterias de íons de lítio atuais. Usando um novo tipo de grafeno, eles empilharam folhas de grafeno especialmente projetadas com moléculas entre as camadas, como mostrado na Fig. 7. O novo material permite que os íons de sódio (em verde) armazenem energia com eficiência.

Supercapacitores

Supercapacitores, ou ultracapacitores, são dispositivos ES que mantêm excelente entrada e saída de energia em mais de 100.000 ciclos de carga e descarga, mas à custa de menor densidade de energia em comparação com as baterias tradicionais. As baterias têm densidade de energia mais alta, mas com entrada e saída de energia mais baixas, elas se degradam mais rapidamente do que os capacitores, especialmente quando operam nos limites de seu envelope de desempenho. O perfil de desempenho diferencial e complementar dos supercapacitores em comparação com as baterias pode gerar grandes melhorias de desempenho quando ambos os dispositivos ES são usados em conjunto: para funções do veículo que exigem mais energia, a unidade de alimentação pode utilizar baterias e para outras tarefas (arranque, vidros elétricos, frenagem regenerativa, aceleração, etc.) podem aproveitar a maior capacidade de entrada/saída de energia fornecida pelos supercapacitores.

A implantação de supercapacitores no setor automotivo já é uma realidade e algumas empresas como a Toyota, utilizam supercapacitores para auxiliar na alimentação de veículos híbridos como o Toyota Prius C, onde os supercapacitores podem fornecer jorros de energia para funções como operação de vidros elétricos e aquecimento. 46]. Em 2012, a empresa Bombardier Transportation, com sede em Berlim, produziu o sistema de supercapacitor Mitra que é usado nos bondes de Mannheim, levando a infinitas possibilidades de uso em outros sistemas de transporte elétrico. Em 2019, a Maxwell, líder mundial na área de supercapacitores, foi adquirida pela Tesla como parte de sua estratégia corporativa [47], reforçando o futuro promissor dos supercapacitores.

Anteriormente, a Volvo havia anunciado que estava trabalhando no desenvolvimento de painéis de carroceria aprimorados com nanotecnologia de carbono que também funcionam como supercapacitores para o armazenamento de energia elétrica [48]. Esse recurso provavelmente será de uso particular em PHEVs que exigem apenas baterias de tamanho modesto, mas lutam para encaixar um motor de combustão, tanque de combustível, bateria e transmissão elétrica no veículo. Mais recentemente, essa ideia foi levada adiante pela BMW e também pela Lamborghini, que atualmente trabalham com o Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) [49].

A alta área de superfície específica do grafeno (2670 m2/g) e a condutividade eletrônica aprimorada (10 vezes mais condutora que o grafite), baixa densidade, flexibilidade e facilidade de processabilidade química o tornam um material ideal para eletrodos supercapacitores [50,51]. Uma empresa sediada em São Francisco lançou recentemente ultracapacitores “Powercell” de alta potência, capazes de gerar potência massiva e carregamento de 10 minutos, contendo uma combinação de grafeno e alumínio. Embora esta bateria seja mais cara que as baterias de íon-lítio, ela será capaz de um número muito maior de ciclos de funcionamento [52].

A Gnanomat também desenvolveu novos dispositivos ES de supercapacitor explorando nanomateriais avançados de grafeno nos eletrodos. Esses dispositivos oferecem excelente desempenho que, por sua vez, facilitará a penetração do grafeno no setor. Nos testes, os protótipos industriais, incluindo os compostos híbridos de nanopartículas de grafeno/óxido metálico da Gnanomat, apresentam melhorias notáveis na capacidade de armazenamento de energia, mais de 300% a mais quando comparados aos dispositivos padrão do mercado. Exemplos desses dispositivos são mostrados na Fig. 8. A Versarien está, portanto, bem posicionada para otimizar e abordar oportunidades industriais no campo de supercapacitores.

A Versarien está atualmente trabalhando com os principais parceiros Westfield Sports Cars, o Centre for Process Innovation Ltd (CPI) e outros recentemente receberam financiamento do Departamento de Transporte do Reino Unido (DfT) para o desenvolvimento da tecnologia de pseudocapacitor assimétrico e incluí-lo em um pacote para ser usado como um demonstrador de tecnologia para veículos do lado do porto de emissão zero.

A tecnologia de supercapacitor é de particular interesse para a indústria naval e de aviação, pois, diferentemente das baterias de íons de lítio, há muito pouco risco de incêndio, algo que até agora atuou como um freio na adoção da tecnologia EV no setor. Também é de interesse para a indústria de carros esportivos, onde a alta densidade de potência pode ser utilizada para eventos de aceleração e frenagem, estendendo o alcance e prolongando a vida útil da bateria, reduzindo o perfil de carga.

O projeto SUPPORTIVE será concluído em 2022 e, em seguida, espera-se passar para a produção em grande escala.

Células de combustível e armazenamento de hidrogênio

As células de combustível são uma alternativa ES com muitas propriedades interessantes quando aplicadas a EVs. As células de combustível podem usar uma variedade de combustíveis diferentes, mas o combustível mais comumente usado é o hidrogênio. O hidrogênio é um combustível extremamente denso em energia (120–140 MJ/kg), muito superior à gasolina (46,4 MJ/kg) [53]. O tempo de reabastecimento de um EV com hidrogênio comprimido é muito mais rápido do que carregar uma bateria. As únicas emissões de células de combustível de hidrogênio são vapor de água. Como tal, esta tecnologia pode ser considerada uma fonte de energia limpa e sustentável quando se utiliza o chamado “hidrogênio verde” (hidrogênio produzido a partir de energia renovável). Devido à menor densidade de energia das células de combustível, elas são normalmente usadas em combinação com outros sistemas ES, mais comumente baterias de íons de lítio.

Em 2013, a Hyundai lançou o modelo Tucson, o primeiro FCEV. Em 2015, a Toyota começou com a comercialização do Mirai, seguida pela Honda com o Clarity em 2016. O Clarity FCEV oferecia capacidade para cinco pessoas, dois tanques de armazenamento de hidrogênio e pressão de compressão de hidro-

gênio de 70 MPa [54]. Embora não tenha se tornado uma tecnologia dominante, o nível de adoção ainda é baixo, os pesquisadores de mercado estão prevendo que o mercado cresça a uma taxa de crescimento anual composta (CAGR) de 11,23% [55]. Para converter hidrogênio em eletricidade, as células de combustível precisam de um catalisador. Normalmente, o catalisador é feito de nanopartículas de platina suportadas em uma estrutura de carbono amorfo. No entanto, esse arranjo não é apenas caro, mas também frágil e isso está dificultando o avanço das células a combustível. Pesquisadores descobriram em testes de vida acelerada que, substituindo o carbono por grafeno, a vida da célula pode ser estendida em 30% [55].

De longe, o maior fator que retarda a implantação das células de combustível de hidrogênio é a falta de infraestrutura necessária para produzir, distribuir, armazenar e dispensar hidrogênio com segurança. O hidrogênio é uma molécula muito pequena e muito leve; para armazenar hidrogênio suficiente para ser útil, ele deve ser armazenado sob pressão muito alta. Além disso, o hidrogênio é muito reativo e pode atacar vasos e tubulações de contenção de aço, tornando-os quebradiços.

O grafeno pode ajudar no armazenamento de hidrogênio de várias maneiras. Conforme descrito anteriormente, quando adicionado aos compostos de CFRP, o grafeno pode aumentar muito sua força, o que significa que novos tanques podem armazenar hidrogênio a pressões muito mais altas com mais segurança. Além disso, a morfologia e a alta proporção do grafeno podem ajudar a reduzir as taxas de vazamento dos tanques de armazenamento. Além disso, quando incorporado em revestimentos de superfície, pode proteger o aço da degradação.

Ao funcionalizar o grafeno com metais, também pode ser possível armazenar hidrogênio dentro da estrutura atômica do próprio grafeno, liberando-o apenas quando necessário. Os chamados sistemas de armazenamento de “estado sólido” ainda estão em um baixo nível de prontidão para tecnologia (TRL - technology readiness level), mas há grandes esperanças de armazenar hidrogênio com segurança e eficácia em um futuro próximo [56].

Células solares

O uso de células solares em veículos, principalmente EVs, é uma tecnologia que está sendo explorada por diversos fabricantes de automóveis. A start-up alemã de veículos elétricos Sono está atualmente recebendo pré-encomendas para seu modelo Sion, que incorpora células solares na carroceria do carro. A Sono afirma que a integração da tecnologia de células solares pode adicionar até 5.800 km de autonomia elétrica por ano [57]. A Hyundai também está investigando as vantagens da energia solar e anunciou seu carro de marca de luxo: o modelo Lightyear One, que incorpora painéis solares no teto do carro, e deve começar a ser vendido no verão de 2022 [58].

Ao substituir os fios de malha na parte superior da célula por grafeno transparente altamente condutivo, a saída da célula pode ser maximizada para qualquer área de superfície. Atualmente, as células solares transparentes usam óxido de índio-estanho (ITO - indium tin oxide) como transportador de carga, mas isso não é apenas muito caro, também é muito frágil e pode ser facilmente danificado. Ao contrário das células solares domésticas rígidas montadas no teto, as células automotivas exigem uma certa flexibilidade para seguir as curvas da carroceria do veículo, acompanhadas de tolerância à vibração e níveis moderados de danos. O resistente, transparente e flexível grafeno é, portanto, um candidato ideal para substituir o ITO em aplicações automotivas.

Em testes de laboratório, as células solares de perovskita à base de grafeno já ultrapassaram 20,3% de eficiência [59]. As saídas previstas para a tecnologia de células de perovskita excedem as das células de silício tradicionais; ajustando o intervalo de banda dentro das células e empilhando-as uma em cima da outra, é teoricamente possível exceder o limite de Shockley-Queisser (o limite máximo de eficiência teórica de uma célula solar de junção única) e chegar a 40% de eficiência [60]. Tudo isso pode ser feito com células que utilizam grafeno que são flexíveis, mais simples, mais baratas de fabricar e têm uma pegada ambiental consideravelmente menor do que a tecnologia de silício existente [58].

Uma desvantagem das células solares é que elas não funcionam muito bem com mau tempo, no entanto, o grafeno oferece uma solução possível. Pesquisadores na China desenvolveram uma célula solar revestida de grafeno que aproveita as interações eletroquímicas com a chuva. Em testes de laboratório, essas células até agora produziram eficiências de 6,5% [61].

No geral, as células solares à base de grafeno podem resolver problemas com as células solares atualmente disponíveis e permitir o uso mais eficiente da energia solar, que é uma das fontes mais limpas de energia renovável.

Armazenamento em rede para carregamento de veículos elétricos

Em Braintree, Essex, Reino Unido, a Gridserve construiu o primeiro pátio de carregamento de EV dedicado do mundo [62]. Com alguns EVs modernos agora capazes de carregar a taxas muito altas, é essencial posicionar a infraestrutura de carregamento perto de conexões de rede de alta potência para maximizar a experiência de carregamento do cliente. No entanto, nos horários de pico, mesmo isso não é suficiente, então empresas como a Gridserve estão usando grandes bancos de baterias para complementar a conexão à rede. Já discutido anteriormente, sistemas ES com maior densidade de energia, capazes de carregar e descarregar mais rapidamente e com maior capacidade de ciclo [63] seriam bem-vindos. As tecnologias ES baseadas em grafeno também podem ser usadas para equilibrar a rede local e isso acelerará a transição para o futuro, onde a energia renovável desempenha um papel maior na alimentação de nossas casas e empresas, além de aumentar a viabilidade financeira de tais estações de carregamento [64].

Sensores e conectividade

O objetivo final dos sistemas de direção autônoma é alcançar a autonomia do ‘Estágio 5’, onde nunca haveria necessidade de o motorista intervir e assumir o controle, com a possibilidade de alguns veículos não serem equipados com controles de motorista. Grandes avanços em eletrônica e software ocorreram nos últimos anos e a maioria dos veículos de ponta agora tem alguma forma de assistência avançada ao motorista. Uma coisa que está se tornando cada vez mais óbvia é que qualquer sistema é tão bom quanto seus sensores. Como um sistema de direção autônoma vê o mundo é fundamental para sua capacidade de funcionar.

Atualmente, os carros autônomos usam câmeras visíveis, mas em neblina densa, essas câmeras ainda são insuficientes. O Autovision Spearhead Project [65], parte do European Graphene Flagship, está desenvolvendo um novo sensor de imagem de alta resolução para veículos autônomos, que pode detectar obstáculos e curvatura da estrada mesmo em condições de condução extremas e difíceis.

Os atuais sistemas de monitoramento da pressão dos pneus (TPMS - tyre pressure monitoring systems) são limitados na largura de banda que podem transmitir (normalmente 1 mensagem a cada 60 segundos). Um novo tipo de sistema de monitoramento de pneus com grafeno impresso foi proposto [66] que pode não apenas monitorar e transmitir dados de pressão em tempo real, mas também medir o estresse dentro do pneu e ser autoalimentado.

A Precision Varionic International Ltd., Reino Unido, com financiamento da Comissão Europeia em 2017, desenvolveu potenciômetros baseados em grafeno (GrapheneSens) [67,68], usando tintas de grafeno para impressão em tela (com condutividade entre 100 a 1000 ohm/sq) para faixas resistivas termicamente curáveis. Esses revestimentos de grafeno permitiram uma vida útil da trilha superior a 10 milhões de ciclos usando apenas uma única camada de trilha e, com maior condutividade do grafeno, a espessura da camada resistiva da trilha pode ser reduzida abaixo de 30 μm (sem comprometer o desempenho de desgaste), permitindo o uso econômico do grafeno. O grafeno também ajudou a reduzir o ruído, levando a uma maior precisão e confiabilidade do sensor.

Outra aplicação onde o grafeno pode revolucionar os sensores automotivos são os sensores de campo magnético que são

essenciais para a medição sem contato do ângulo de rotação e velocidade angular do carro. Esses sensores precisam ser altamente precisos com boa usabilidade. Um sensor de efeito Hall baseado em grafeno foi desenvolvido pela Paragraf em 2017, que provou ter excelentes propriedades em relação a outros materiais convencionais, como silício, arseneto de gálio e antimonito de índio devido à sua alta mobilidade de portadores [69]. Com o potencial do grafeno para ser usado em uma variedade de sensores automotivos produzindo dados de maior precisão, um novo e excitante futuro de sensores de grafeno em automóveis aguarda, e com os veículos autônomos se tornando o futuro dos veículos, haverá um uso e inovação cada vez maiores de sensores baseados em grafeno.

Resumo e perspectivas futuras

Este relatório destacou vários estudos de caso importantes em que o grafeno está permitindo a melhoria de componentes para o setor automotivo, com empresas multinacionais como a Ford sendo as primeiras a adotar o grafeno. Compósitos aprimorados com grafeno para leveza estrutural, pneus e aplicações NVH estão na vanguarda e liderando o caminho, com vários caminhos sendo explorados em tecnologias de armazenamento de energia e sensores.

O grafeno, sem dúvida, desempenhará um papel fundamental na próxima geração de veículos, sustentado por financiamento significativo do governo do Reino Unido e da Comissão Europeia. Em toda a Europa, o projeto Graphene Flagship financiado pela CE de € 1 bilhão vê o setor automotivo como um setor chave para aplicações de grafeno e materiais relacionados. Três de seus onze projetos Spearhead se concentraram em aplicações automotivas. A concorrência de outras regiões aumentará, em particular da China, que está testemunhando o rápido desenvolvimento de sua indústria automotiva, e já é o segundo maior mercado de EV de passageiros do mundo depois da UE.

O Reino Unido tem uma longa história de produção automotiva e agora com os centros de excelência mais conceituados do mundo para pesquisa de grafeno (National Graphene Institute, Cambridge Graphene Centre) e a capacidade de acelerar o desenvolvimento através do Graphene Engineering Innovation Centre (GEIC), há um caso sério a ser apresentado para projetos centrados no Reino Unido para construir sobre essas bases sólidas.

O Nissan LEAF, o primeiro EV sério e acessível do mundo produzido em massa, é fabricado há muito tempo em Sunderland e a empresa de fabricação de baterias British Volt está agora em fase de planejamento para construir a primeira gigafábrica de baterias do Reino Unido nas proximidades de Tynemouth. Esses e outros desenvolvimentos manterão o Reino Unido na vanguarda da indústria automotiva, desde que Herbert Austin fundou a Austin Motor Company em 1905.

Com todas essas vantagens mencionadas que o grafeno pode trazer, as melhorias para o setor automotivo podem ser vastas e as empresas que incorporam componentes aprimorados com grafeno para a próxima geração de veículos elétricos podem permitir que os fabricantes obtenham uma vantagem significativa sobre a concorrência.

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