Célula de combustível de sódio pode viabilizar aviões elétricos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/05/2025

A célula de combustível de sódio-ar usa uma arquitetura de célula H, com eletrodos e uma membrana cerâmica condutora de íons.
[Imagem: Gretchen Ertl]

Célula de combustível de sódio

É ainda apenas uma versão de pequena escala funcionando no laboratório, mas esta pequena célula de combustível já mostrou potencial para viabilizar a eletrificação da aviação, fazendo decolar os aviões elétricos de grande porte.

As baterias estão próximas do limite teórico de energia que conseguem armazenar para um determinado peso, um obstáculo sério para a inovação energética e a busca por novas maneiras de alimentar aviões, trens e navios.

Em vez de uma bateria, o novo conceito envolve um tipo de célula de combustível, que é semelhante a uma bateria, mas que pode ser reabastecida rapidamente, em vez de recarregada. Você pode compará-la a uma "bateria de encher o tanque", mas neste caso o combustível é sódio metálico em solução, um produto barato e amplamente disponível.

Além disso, com o sódio de um lado, o outro lado da célula é apenas o ar atmosférico, que funciona como fonte de átomos de oxigênio. Entre eles, uma camada de uma cerâmica sólida serve como eletrólito, permitindo a passagem dos íons de sódio, enquanto um eletrodo poroso voltado para o ar ajuda o sódio a reagir quimicamente com o oxigênio e produzir eletricidade.

Em uma série de experimentos com dois protótipos do dispositivo, os pesquisadores demonstraram que esta célula pode transportar mais de três vezes mais energia por unidade de peso do que as baterias de íons de lítio usadas em praticamente todos os veículos elétricos atualmente.

"Esperamos que as pessoas achem que esta é uma ideia totalmente maluca," disse o professor Yet-Ming Chiang, do MIT, nos EUA. "Se não achassem, eu ficaria um pouco decepcionado, porque se as pessoas não acharem algo totalmente maluco logo de cara, provavelmente não será tão revolucionário."

Princípio de funcionamento da célula a combustível de sódio.
[Imagem: Karen Sugano et al. - 10.1016/j.joule.2025.101962]

Eletrificação da aviação

Usando o mesmo conceito eletroquímico básico de uma bateria, apenas empregando-o em uma célula de combustível, a equipe conseguiu obter as vantagens da alta densidade energética de forma prática. Ao contrário de uma bateria, cujos materiais são montados uma única vez e selados em um recipiente, com uma célula de combustível os materiais transportadores de energia entram e saem.

A equipe construiu duas versões da célula de combustível, ambas protótipos em escala de laboratório. Em uma delas, chamada célula H, dois tubos de vidro verticais são conectados por um tubo central contendo um eletrólito cerâmico sólido e um eletrodo de ar poroso. O sódio metálico preenche o tubo de um lado e o ar flui pelo outro, fornecendo o oxigênio para a reação eletroquímica no centro, que acaba consumindo gradualmente o sódio combustível.

O outro protótipo utiliza um design horizontal, com uma bandeja de eletrólito contendo o sódio combustível. O eletrodo de ar poroso, que facilita a reação, é fixado na parte inferior da bandeja.

Testes usando um fluxo de ar com um nível de umidade cuidadosamente controlado produziram um nível de quase 1.700 watts-hora por quilograma no nível de uma "pilha" individual, o que se traduziria em mais de 1.000 watts-hora no nível do sistema completo, disse Chiang.

"O limite realmente necessário para uma aviação elétrica realista é de cerca de 1.000 watts-hora por quilograma," comparou o pesquisador. As baterias de íons de lítio dos veículos elétricos atuais chegam a cerca de 300 watts-hora por quilograma, ainda longe do necessário para os aviões. Mesmo com 1.000 watts-hora por quilograma, disse Chiang, as baterias não seriam suficientes para permitir voos transcontinentais ou transatlânticos.

A tecnologia também pode ser um facilitador para outros setores, incluindo o transporte marítimo e ferroviário. "Todos eles exigem altíssima densidade energética e baixo custo. E foi isso que nos atraiu para o sódio metálico," disse Chiang.

A equipe defende um ecossistema de células de combustível de sódio-ar para a eletrificação da aviação, ferrovias e transporte marítimo
[Imagem: Karen Sugano et al. - 10.1016/j.joule.2025.101962]

Vantagens

A nova célula de combustível é inerentemente mais segura do que as baterias que usam a mesma química - as baterias de sódio - porque o sódio metálico é extremamente reativo e deve ser bem protegido - assim como nas baterias de lítio, o sódio pode inflamar-se espontaneamente se exposto à umidade.

Mas nesta célula de combustível, um lado é apenas ar, "que é diluído e limitado. Então, não há dois reagentes concentrados um ao lado do outro. Se você está buscando uma densidade de energia realmente alta, é melhor ter uma célula de combustível do que uma bateria, por questões de segurança," disse Chiang.

Como benefício adicional, o rejeito da célula a combustível é o bicarbonato de sódio, que pode até mesmo ser jogado no oceano, para ajudar a desacidificar a água, neutralizando outro dos efeitos nocivos dos gases de efeito estufa.

Embora o dispositivo até o momento exista apenas na forma de pequenos protótipos de uma única célula, Chiang afirma que o sistema deve ser bastante simples de ser ampliado para tamanhos práticos para comercialização. O entusiasmo é tamanho que a equipe já formou uma empresa, a Propel Aero, para desenvolver a tecnologia.

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