Baterias à base de água têm capacidade muito maior do que se calculava

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/04/2023

São baterias à base de água, que não usam metais, como lítio e cobalto.
[Imagem: Texas A&M Engineering]

Baterias sem lítio

Pesquisadores descobriram que é possível aumentar em 1.000% a energia armazenada em baterias à base de água, que não usam metais.

Essas baterias são diferentes das baterias de íons de lítio, que contêm ainda o cobalto, que é caro e problemático. Em vez de metais, elas usam polipeptídeos orgânicos, que são estáveis o suficiente para que a bateria funcione e versáteis o bastante para serem reciclados no final da vida útil.

E essa química mais segura também evita incêndios na bateria.

"Não haverá mais incêndios de bateria porque elas são feitas à base de água," disse a professora Jodie Lutkenhaus, da Universidade do Texas, nos EUA. "No futuro, com a previsão de escassez de materiais, o preço das baterias de íons de lítio vai subir muito. Se tivermos essa bateria alternativa, poderemos recorrer a essa química, onde o fornecimento é muito mais estável porque podemos fabricá-la [localmente]."

Esquema de funcionamento da bateria de peptídeos.
[Imagem: Tan P. Nguyen et al. - 10.1038/s41586-021-03399-1]

Baterias aquosas

Como as demais, as baterias aquosas consistem em um eletrodo positivo (ânodo) e um negativo (cátodo), interligados por um eletrólito. Os cátodos e ânodos são polímeros que podem armazenar energia, e o eletrólito é água misturada com sais orgânicos - existem até protótipos de baterias com água do mar.

O eletrólito é a chave para a condução dos íons e para o armazenamento de energia, por meio de suas interações com os eletrodos.

E é aqui que está a novidade apresentada pela equipe: Como os eletrodos incham e desincham durante o recarregamento e o uso da bateria, escolher o melhor material faz uma diferença de até 1.000% em termos da energia que pode ser armazenada.

De acordo com a equipe, os polímeros radicais redox-ativos não conjugados (eletrodos) são candidatos promissores para baterias aquosas livres de metais devido à alta voltagem de descarga e à cinética redox rápida desses polímeros. Mas achar a composição ideal não é fácil porque a reação é complexa e difícil de resolver, devido à transferência simultânea de elétrons, íons e moléculas de água.

"Nós demonstramos a natureza da reação redox examinando eletrólitos aquosos de caráter cao-/cosmotrópico variável usando microbalança eletroquímica de cristal de quartzo com monitoramento de dissipação em uma variedade de escalas de tempo," contaram os pesquisadores.

As simulações computadorizadas permitiram construir uma teoria refinada do funcionamento dessas baterias inovadoras.
[Imagem: Ting Ma et al. - 10.1038/s41563-023-01518-z]

Melhorar os materiais

Os dados experimentais foram então usados para alimentar simuladores computacionais, que permitem refinar a análise sobre o que ocorre em escala molecular na dinâmica da bateria e na estrutura dos próprios materiais, o que é essencial para selecionar os melhores.

"Teoria e experimento geralmente trabalham juntos para entender esses materiais. Uma das coisas novas que nós fizemos computacionalmente nesta pesquisa é que, na verdade, nós carregamos o eletrodo até múltiplos estados de carga e vimos como o ambiente responde a esse carregamento," contou Daniel Tabor, membro da equipe.

Finalmente, a equipe testou o cátodo com vários sais, medindo exatamente quanto água e quanto sal fluía pela bateria durante sua operação. Com isto, eles agora possuem um quadro teórico completo embasando seus experimentos, o que permitirá selecionar os materiais mais adequados para obter um balanço adequado entre capacidade de armazenamento e durabilidade da bateria aquosa.

"Com esta nova tecnologia de armazenamento de energia, este é um avanço rumo a baterias sem lítio. Nós temos uma imagem de nível molecular melhor do que faz alguns eletrodos de bateria funcionarem melhor do que outros, e isso nos dá fortes evidências de onde avançar no projeto dos materiais," confirmou Tabor.

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