Baterias à base de água usam íons e prótons simultaneamente

Baterias à base de água

As baterias à base de água parecem ser a tecnologia definitiva tanto para a portabilidade quanto para a eletrificação dos transportes porque são mais baratas e têm um risco de incêndio desprezível – as baterias aquosas podem viabilizar até mesmo os aviões elétricos.

Tem muito gente trabalhando nisso, e a meta principal é aumentar a densidade de energia – colocar mais energia dentro das baterias à base de água, para que elas se tornem competitivas tecnicamente.

Geunchan Park e colegas do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia (KAIST) encontraram uma rota promissora para isso: Tirar proveito de uma reação química problemática nas baterias à base de água, uma reação envolvendo o hidrogênio, e, em vez de removê-la, usá-la para guardar mais energia.

A técnica se baseia no uso de uma cerâmica ultraporosa, uma estrutura metalorgânica condutora bidimensional (MOF), na qual metais e moléculas orgânicas se interconectam para formar poros microscópicos.

Quando foi usado para fabricar um eletrodo, esse material permitiu armazenar sequencialmente íons de zinco (Zn2+) e núcleos de hidrogênio, ou prótons, criando uma tecnologia híbrida entre as baterias de zinco e as baterias de prótons – ambas são à base de água.

Baterias de zinco e baterias de prótons

As baterias de íons de zinco são à base de água, não pegam fogo, não explodem, e o zinco é muito mais barato do que o lítio. Já as baterias de prótons são muito mais inovadoras, mas também estão no início do processo de desenvolvimento.

Acontece que a junção das duas tecnologias faz todo o sentido. Os íons de zinco carregam carga elétrica, mas como são íons divalentes eles se movem lentamente dentro dos eletrodos, dificultando alcançar simultaneamente alta capacidade e desempenho rápido de carga e descarga. Os prótons, por outro lado, podem se mover muito rapidamente porque são extremamente pequenos, o que os torna portadores de carga ideais. No entanto, quando muitos prótons entram em um eletrodo, formam-se subprodutos que interferem no movimento das cargas elétricas, reduzindo o desempenho da bateria. Por esse motivo, os prótons têm sido tradicionalmente considerados “problemáticos” porque degradam o desempenho da bateria, e as pesquisas têm-se concentrado em suprimir suas reações.

A equipe coreana adotou uma abordagem diferente: Em vez de tentar suprimir as reações de prótons, eles controlaram precisamente a ordem em que os íons de zinco e os prótons são armazenados, de modo que ambos possam ser usados para armazenar energia.

A tática se baseou na introdução de grupos funcionais amina nos microporos da cerâmica, fazendo com que o material reaja com os prótons somente quando uma determinada tensão elétrica é atingida. Como os prótons são armazenados apenas em uma tensão específica, torna-se possível armazenar os íons de zinco primeiro.

É mais ou menos como colocar primeiro pedras grandes em uma garrafa vazia, e depois preencher os espaços entre elas com areia fina – o eletrodo é usado de forma mais eficiente armazenando primeiro os íons de zinco, relativamente grandes, e só depois recebendo os prótons, que são menores. Isso reduziu a interferência entre os dois processos de armazenamento, minimizando a reatividade dos núcleos de hidrogênio e, por consequência, a geração de subprodutos indesejados.

Velocidade e capacidade

O novo eletrodo atingiu uma alta capacidade de armazenamento, de 368,7 mAh/g a 0,5 A/g. Em termos simples, isso significa que uma pequena quantidade de material de eletrodo pode armazenar uma grande quantidade de eletricidade.

As baterias geralmente armazenam menos energia à medida que suas taxas de carga e descarga aumentam, mas o novo eletrodo manteve uma capacidade de armazenamento substancial mesmo sob condições de carga e descarga rápidas. Mesmo quando a taxa de carga e descarga foi aumentada dezesseis vezes, o eletrodo reteve 46,9% de sua capacidade de armazenamento inicial – quase metade. Ele também demonstrou desempenho estável após mais de 500 ciclos rápidos de carga e descarga.

“Este estudo demonstra que os prótons, antes considerados ‘problemáticos’, que poderiam degradar o desempenho das baterias, podem, em vez disso, ser usados para armazenar mais energia. Esperamos que a aplicação desse princípio a diversos materiais de eletrodo leve ao desenvolvimento de baterias capazes de armazenar rapidamente quantidades maiores de energia,” disse a professora Sarah Park.