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Correio Braziliense

Duração de bateria é turbinada com dispositivo criado à base de fluoreto

Solução também poderá ser usada em carros elétricos e na captação alternativa de energia, como a solar


postado em 17/12/2018 06:00

Imagine poder usar o celular por semanas, sem precisar recarregá-lo. A realização desse sonho está diretamente ligada à capacidade de armazenagem de energia de uma bateria. Para isso, diversos cientistas têm se empenhado na busca por alternativas às opções disponíveis no mercado. Um grupo composto por pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (CalTech), do Laboratório de Propulsão a Jato da Nasa (JPL), do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e do Instituto de Pesquisa Honda, todos nos Estados Unidos, desenvolve um material que promete fazer com que os smartphones funcionem por um período oito vezes maior que a média atual sem a necessidade de nova carga.

Trata-se de uma bateria à base de fluoreto, a forma carregada negativamente do elemento flúor. Em criações anteriores, a funcionalidade das soluções estava restrita a altas temperaturas devido ao uso de uma substância externa limitante, o eletrólito. Com alta capacidade de armazenamento de carga, a nova célula energética, que funciona em temperatura ambiente, é uma solução aos convencionais sistemas de lítio.

“É um mecanismo operacional diferente, que oferece a chance de armazenar mais energia por unidade de volume. O fluoreto ajuda porque é relativamente pequeno e as reações que o usam no processo são de alta energia”, explica Simon Jones, químico no JPL e um dos autores do estudo, detalhado, neste mês, na revista Science. 


Solvente 


Desde 1970,  grupos de pesquisa têm se dedicado à produção de baterias com fluoreto por conta da sua grande densidade de energia, a habilidade de armazenar carga elétrica. Fatores como a alta reatividade e corrosividade do produto, porém, dificultam avanços.

Segundo a equipe americana, o maior desafio está em uma outra parte da bateria. Para que uma célula de energia funcione normalmente, seus íons (cargas elétricas) precisam ser transportados do cátodo, o lado positivo do aparelho, para o ânodo, o lado negativo. Essa movimentação acontece graças a uma substância solvente, o eletrólito.

Nas baterias de fluoreto anteriores, os eletrólitos utilizados eram sólidos, o que dificulta o trânsito dos íons entre os polos do aparelho. “A rigidez do sólido impede o movimento necessário dos íons de fluoreto a uma taxa útil. Para acelerar o movimento do flúor, é necessário usar os eletrólitos sólidos em temperaturas extremamente altas”, explica Thomas Miller, professor de química no Caltech e participante da pesquisa. Nessas condições, as baterias só operam em temperaturas próximas a 150ºC.

Dessa forma, a equipe buscou um eletrólito líquido. Proposto por uma estagiária do grupo, o composto orgânico BTFE foi testado e respondeu bem aos experimentos. Segundo os criadores, o material opera normalmente em temperaturas ambientes, potencializando a aplicação de baterias de fluoreto em eletrônicos do dia a dia, como notebooks e celulares. “O BTFE é um dos poucos solventes orgânicos conhecidos que podem dissolver os sais de fluoreto em níveis apreciáveis sem se decompor. Isso poderia ser alcançado com água, mas não se pode usar água em uma bateria”, diz Miller.

Professor do Instituto de Química Teórica da Universidade de Ulm, na Alemanha, Axel Gross afirma, otimista, que o uso do BTFE no fluoreto surtiu bons resultados.  Segundo ele, o flúor é um dos elementos mais reativos que existem, mas sua química não é muito simples. “Não é fácil encontrar eletrodos e eletrólitos como ele, já que toda operação de bateria requer a formação e a quebra de ligações químicas. Fazer ligações com o fluoreto é fácil, mas quebrá-las é mais difícil. O fato de os autores desse artigo da Science terem encontrado um eletrólito que permita a reversibilidade da operação de uma célula de fluoreto à temperatura ambiente é realmente um passo que abre novas portas para a aplicação de baterias do gênero”, explica.

Segundo os criadores, as aplicações da nova tecnologia vão além de notebooks e celulares. Há a possibilidade de uso da solução em carros elétricos, que ganhariam mais autonomia e motores mais potentes. Os grandes setores de produção de energia elétrica alternativa, como a fotovoltaica e a eólica, também poderão se beneficiar, já que precisam armazenar alta quantidade de carga enquanto não produzem energia — o Sol e o vento, por exemplo, são fontes energéticas restritas pelo tempo de exposição.

Ainda estratégicos
Apesar de vantajosos, sistemas de carga que usam fluoreto não levam ao chão todas as conquistas trazidas pela bateria de lítio, segundo Diogo Bacellar, coordenador da Sala de Ciências do Serviço Social do Comércio (SESC) em Taguatinga Sul, Brasília.  “Elas são materiais, do ponto de vista físico-químico, sensacionais, visto que o lítio é um dos metais na Tabela Periódica que tem boa capacidade de perder elétrons para um sistema eletrônico. Já do ponto de vista econômico, o Brasil tem, pelo menos, 10% das reservas mundiais de lítio, o que facilita processos industriais de produção”, explica.

Palavra de especialista


Perguntas em aberto
“As baterias de íon de flúor são um sistema alternativo, exatamente como muitas outras alternativas às baterias de íons de lítio, como baterias de sódio, magnésio e cloro. Todos os sistemas têm vantagens e desvantagens. Mas também nem todas as aplicações precisam do mesmo tipo de bateria: uma minibateria em um aparelho auditivo tem certos requisitos. Em um carro ou para armazenamento, tem outros. A bateria de flúor tem, em teoria, uma densidade de energia volumétrica muito alta, o que a tornaria útil para aplicação em eletrônicos com espaço limitado. Mas ainda existem muitas perguntas em aberto para tecnologias do tipo, e o mecanismo básico ainda não está claro. É importante que a pesquisa em íon fluoreto, assim como em todas as outras alternativas de bateria, continue trabalhando no assunto, descubra novos materiais e entenda os princípios fundamentais. Isso abrirá novas possibilidades e oportunidades nas aplicações da bateria.”

Fabienne Gschwind, doutora em tecnologia de ânions para baterias e pesquisadora no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha

Destaque para uso de cargas negativas


Durante a criação de tecnologia de armazenagem, o grupo de cientistas americanos utilizou outra técnica que chama a atenção: o uso de cargas negativas. Isso porque, em baterias convencionais de celulares, como as de lítio, movem-se as cargas positivas, os cátions — do lado positivo para o negativo da célula. Contudo, na bateria de fluoreto, são os íons negativos, os ânions, que fazem o percurso.

Segundo Luiz Carlos Kretly, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), a troca é necessária caso o objetivo seja gerar maior capacidade de armazenagem energética. “Quando você opta por mover os cátions multiplamente carregados entre os eletrodos, perderá muitos elétrons durante o processo. Já quando usa os ânions, terá mais mobilidade e ciclo de carga por conta da fácil movimentação que as cargas negativas, carregadas individualmente, têm”, explica. Na prática, é como se, na segunda opção, mais átomos energizados conseguissem chegar ao outro extremo.

Thomas Miller, professor de química no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e um dos autores do artigo publicado na Science, ressalta que a alta densidade de energia também é um diferencial da criação. “O peso leve do fluoreto e o alto conteúdo de energia das ligações que ele forma ou quebra no ânodo e no cátodo permitem armazenar energia mais densamente do que em uma bateria de íons de lítio”, compara.

Menos perigoso


Para Kretly, além da grande capacidade de armazenar íons, a invenção estadunidense inova em seu tempo de funcionamento. “Quanto menor a densidade de potência de um aparelho, mais tempo se levará para carregar a bateria. No caso da bateria de fluoreto, aumenta-se essa densidade, e o aparelho passa a durar muito mais tempo sem precisar ser carregado. Mas muito além do uso de ânions, o flúor, quando comparado com o lítio, é menos inflamável, perigoso e agressivo ao meio ambiente”, destaca o professor da Unicamp.

Agora, o desafio é a fabricação em massa de produtos com esse tipo de bateria, além da produção de eletrodos mais estáveis. Uma solução nesse sentido foi proposta pela equipe, que estabilizou o cobre usado no cátodo, o polo positivo, para que ele não se dissolva no eletrolito feito com BTFE.

A expectativa é de que a versão final do produto tenha um tempo de duração sem recarga ainda maior. “Enquanto pesquisas preliminares mostram que o fluoreto pode oferecer oito vezes mais carga do que as baterias convencionais de lítio, quando nossa tecnologia se transformar em um produto comercial, isso se traduzirá em duas vezes ou mais tempo de execução, dependendo do design final”, diz Simon Jones, químico no Laboratório de Propulsão a Jato da Nasa.
 
* Estagiário sob supervisão de Carmen Souza 

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