Bateria recarregável de cloro e sódio armazena seis vezes mais carga

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/08/2021

Protótipo da bateria recarregável de cloro e sódio, ou cloro e lítio, alimentando um LED.
[Imagem: Guanzhou Zhu]

Pilha descartável vira recarregável

Pesquisadores conseguiram finalmente fabricar uma versão recarregável de uma bateria cuja tecnologia é conhecida há bastante tempo, mas que até agora não conseguia recuperar a carga depois de usada - ela só funcionava como uma pilha comum.

Bem antes da invenção das atuais baterias de íons de lítio, nos anos 1970, vários grupos já trabalhavam com pilhas não recarregáveis de cloreto de lítio-tionila (Li-SOCl₂) - a tionila SOCl₂ funciona como eletrólito, o lítio metálico como anodo e carbono amorfo como catodo.

Esta bateria descarrega pela oxidação do lítio e pela redução de eletrólito em enxofre, dióxido de enxofre e cloreto de lítio. É uma tecnologia bem conhecida por sua alta densidade de energia e é amplamente utilizada em aplicações do mundo real.

O problema é que ela não é recarregável porque o cloro é muito reativo e é difícil reconvertê-lo em cloreto. Nos poucos casos em que pesquisadores conseguiram atingir um certo grau de recarregabilidade, o desempenho da bateria se mostrou fraco demais para usos práticos.

Bateria de lítio e cloro

Guanzhou Zhu e seus colegas dos EUA e de Taiwan resolveram o problema quando tentavam usar o cloreto de tionila para melhorar o desempenho das baterias de lítio atuais.

Aconteceu que, em um de seus primeiros experimentos envolvendo cloro e cloreto de sódio, Zhu notou que a conversão de um produto químico em outro havia de alguma forma se estabilizado, resultando em uma certa capacidade de recarga.

Foram necessários dois anos de pesquisas para que a equipe finalmente elucidasse o mecanismo dessa química reversível e partisse para fazer testes com materiais que pudessem ser adequados para funcionar como eletrodo positivo da bateria. A melhor opção foi encontrada em um material de carbono fabricado com nanoesferas, o que lhe dá uma característica porosa - com poros na casa dos nanômetros.

Em termos práticos, essas esferas ocas funcionam como uma esponja, absorvendo grandes quantidades das sensíveis moléculas de cloro e armazenando-as para posterior conversão em sal dentro dos microporos. O eletrólito de cloreto de lítio-tionila (Li-SOCl₂) foi substituído por alumínio-tionlia (Al-SOCl₂) e a coisa funciona tanto com sódio quanto com lítio na função de eletrodo negativo.

"A molécula de cloro está sendo capturada e protegida nos minúsculos poros das nanoesferas de carbono quando a bateria é carregada," explicou Zhu, atualmente na Universidade de Stanford. "Então, quando a bateria precisar ser drenada ou descarregada, podemos descarregar a bateria e converter o cloro em NaCl - sal de cozinha - e repetir esse processo em muitos ciclos. Podemos fazer o ciclo até 200 vezes atualmente e ainda há espaço para melhorias."

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O elemento chave da nova bateria recarregável está em um material poroso de carbono, composto de nanoesferas ocas.
[Imagem: Guanzhou Zhu et al. - 10.1038/s41586-021-03757-z]

Seis vezes mais corrente

Duzentos ciclos de carga e descarga ainda é pouco para um produto comercial, mas vai valer a pena apostar na pesquisa porque o protótipo construído pela equipe alcançou 1.200 miliamperes-hora por grama de material do eletrodo positivo, o que é nada menos do que seis vezes superior aos 200 miliamperes-hora alcançados pelas baterias de íons de lítio atuais.

Os pesquisadores vislumbram suas baterias sendo usadas no futuro em situações em que recargas frequentes não são práticas ou desejáveis, como em satélites ou sensores remotos - muitos satélites de pequeno porte viraram lixo espacial devido às baterias descarregadas.

Por enquanto, o protótipo funcional que a equipe desenvolveu - equivalente a uma bateria tipo botão - já pode ser adequado para uso em pequenos aparelhos, como aparelhos auditivos ou controles remotos. Para eletrônicos de consumo, como celulares e notebooks, ou em veículos elétricos, muito trabalho ainda terá que ser feito para aumentar a densidade de energia, checar o funcionamento de baterias maiores e aumentar o número de ciclos de uso/recarga.

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