Study descobriu uma maneira de tornar as baterias que usamos todos os dias mais resistentes, potentes e seguras.
Estamos em 2018 e nosso cotidiano é movido por diversos aparelhos eletrônicos que funcionam com eletricidade ou baterias. Nossa dependência de dispositivos alimentados por bateria está crescendo exponencialmente. Uma bateria é um dispositivo que armazena energia química, a qual é convertida em eletricidade. As baterias são como mini reatores químicos, onde as reações produzem elétrons cheios de energia que fluem através do dispositivo externo. Sejam celulares, laptops ou até mesmo veículos elétricos, as baterias – geralmente de íon-lítio – são a principal fonte de energia para essas tecnologias. Com o avanço da tecnologia, há uma demanda constante por baterias recarregáveis mais compactas, de alta capacidade e seguras.
As baterias têm uma longa e gloriosa história. O cientista americano Benjamin Franklin usou o termo “bateria” pela primeira vez em 1749, enquanto realizava experimentos com eletricidade usando um conjunto de capacitores interligados. O físico italiano Alessandro Volta inventou a primeira bateria em 1800 quando sequestrou discos de cobre (Cu) e zinco (Zn) separados por um pano embebido em água salgada. A bateria de chumbo-ácido, uma das baterias recarregáveis mais duradouras e antigas, foi inventada em 1859 e ainda é usada em muitos dispositivos até hoje, incluindo motores de combustão interna em veículos.
As baterias evoluíram muito e hoje estão disponíveis em diversos tamanhos, desde as de megawatts, que em teoria são capazes de armazenar energia de usinas solares e iluminar mini cidades, até as pequenas usadas em relógios eletrônicos. Incrível, não é? Em uma bateria primária, a reação que produz o fluxo de elétrons é irreversível e, eventualmente, quando um dos reagentes é consumido, a bateria descarrega ou para de funcionar. A bateria primária mais comum é a de zinco-carbono. Essas baterias primárias representavam um grande problema e a única maneira de lidar com o descarte delas era encontrar um método para reutilizá-las – ou seja, torná-las recarregáveis. A substituição de baterias por novas era obviamente impraticável e, à medida que as baterias se tornaram mais potentes e maiores, tornou-se praticamente impossível, além de muito caro, substituí-las e descartá-las.
A bateria de níquel-cádmio (NiCd) foi a primeira bateria recarregável popular que usava um álcali como eletrólito. Em 1989, foram desenvolvidas baterias de níquel-hidrogênio metálico (NiMH) com vida útil mais longa do que as baterias de NiCd. No entanto, eles tinham algumas desvantagens, principalmente porque eram muito sensíveis à sobrecarga e ao superaquecimento, especialmente quando eram carregados, digamos, em sua taxa máxima. Portanto, eles tinham que ser carregados lenta e cuidadosamente para evitar qualquer dano e demoravam mais para serem carregados por carregadores mais simples.
Inventadas em 1980, as baterias de íon-lítio (LIBs) são as baterias mais utilizadas em dispositivos eletrônicos de consumo atualmente. O lítio é um dos elementos mais leves e possui um dos maiores potenciais eletroquímicos; portanto, essa combinação é ideal para a fabricação de baterias. Nas LIBs, os íons de lítio se movem entre diferentes eletrodos através de um eletrólito composto por sal e solventes orgânicos (na maioria das LIBs tradicionais). Teoricamente, o lítio metálico é o metal com a maior carga positiva, possuindo altíssima capacidade e sendo a melhor opção para baterias. Quando as LIBs estão sendo recarregadas, o íon de lítio carregado positivamente se transforma em lítio metálico. Assim, as LIBs são as baterias recarregáveis mais populares para uso em todos os tipos de dispositivos portáteis devido à sua longa vida útil e alta capacidade. No entanto, um dos principais problemas é que o eletrólito pode evaporar facilmente, causando um curto-circuito na bateria, o que pode representar risco de incêndio. Na prática, as baterias de íon-lítio são realmente instáveis e ineficientes, pois, com o tempo, a distribuição do lítio torna-se não uniforme. As baterias de íon-lítio também apresentam baixas taxas de carga e descarga, e as preocupações com a segurança as tornam inviáveis para muitas máquinas de alta potência e alta capacidade, como veículos elétricos e híbridos. Há relatos de que as baterias de íon-lítio exibem boa capacidade e taxas de retenção em raríssimas ocasiões.
Assim, nem tudo é perfeito no mundo das baterias, pois nos últimos anos muitas baterias foram marcadas como inseguras porque pegam fogo, são pouco confiáveis e às vezes ineficientes. Cientistas de todo o mundo estão em busca de construir baterias que sejam pequenas, recarregáveis com segurança, mais leves, mais resistentes e ao mesmo tempo mais potentes. Portanto, o foco mudou para eletrólitos de estado sólido como a alternativa potencial. Mantendo isso como objetivo, muitas opções foram tentadas por cientistas, mas a estabilidade e a escalabilidade têm sido um obstáculo para a maioria dos estudos. Eletrólitos de polímero têm mostrado grande potencial porque não são apenas estáveis, mas também flexíveis e baratos. Infelizmente, o principal problema com esses eletrólitos de polímero é sua baixa condutividade e propriedades mecânicas.
Em um estudo recente publicado na ACS Nano Letters , pesquisadores demonstraram que a segurança de uma bateria, e até mesmo muitas outras propriedades, podem ser aprimoradas com a adição de nanofios, tornando-a superior. Essa equipe de pesquisadores da Faculdade de Ciência e Engenharia de Materiais da Universidade de Tecnologia de Zhejiang, na China, baseou-se em pesquisas anteriores, nas quais produziram nanofios de borato de magnésio que exibiram boas propriedades mecânicas e condutividade. No estudo atual, eles verificaram se isso também se aplicaria a baterias quando tais nanofios fossem adicionados a um eletrólito polimérico de estado sólido. O eletrólito de estado sólido foi misturado com 5, 10, 15 e 20 gramas de nanofios de borato de magnésio. Observou-se que os nanofios aumentaram a condutividade do eletrólito polimérico de estado sólido, tornando as baterias mais robustas e resistentes em comparação com as baterias sem nanofios. Esse aumento na condutividade deveu-se ao aumento no número de íons que passam e se movem pelo eletrólito em uma taxa muito mais rápida. Todo o sistema funcionava como uma bateria, mas com a adição de nanofios. Isso demonstrou um desempenho superior e um número maior de ciclos em comparação com baterias comuns. Um importante teste de inflamabilidade também foi realizado, e constatou-se que a bateria não pegou fogo. Os dispositivos portáteis mais utilizados atualmente, como celulares e laptops, precisam ser aprimorados com armazenamento de energia máximo e mais compacto. Isso, obviamente, aumenta o risco de descarga violenta, o que é administrável para esses dispositivos devido ao pequeno formato das baterias necessárias. No entanto, à medida que baterias para aplicações maiores são projetadas e testadas, segurança, durabilidade e potência assumem importância fundamental.
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Fontes)
Sheng O et al. 2018. Eletrólitos de estado sólido multifuncionais habilitados por nanofios de Mg2B2O5 com alta condutividade iônica, excelentes propriedades mecânicas e desempenho retardante de chama. Nano Letters. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b00659
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