Os sistemas de armazenamento de carga que alimentam os aparelhos presentes no dia a dia de bilhões de pessoas têm sido objeto constante de estudos. Desenvolver ou melhorar os modelos de baterias de celulares, computadores e carros elétricos, por exemplo, é um processo ainda relativamente recente, mas de imenso impacto para a economia mundial e para a sociedade moderna.
Agora, um estudo de pesquisadores da Universidade Politécnica de Valência, na Espanha, em parceria com a Universidade de Sharjah, nos Emirados Árabes Unidos, publicado em outubro pela revista científica Advanced Materials, descobriu como otimizar os sistemas usados hoje em dia em celulares, computadores e carros elétricos, por exemplo. A pesquisa chegou a uma técnica que pode acelerar o carregamento das baterias, aumentar a quantidade de energia que elas guardam e prolongar a vida útil desses materiais.
O ponto de partida dos cientistas foi entender profundamente como ocorre o transporte de cargas dentro das baterias. Ou seja, como a energia armazenada, após um período na tomada, circula nos eletrodos da bateria e é transmitida para o aparelho eletrônico.
Professor da Universidade de Sharjah e um dos autores do estudo, Anis Allagui explica que o foco foram os condutores mistos iônicos-eletrônicos (MIECs, na sigla em inglês), responsáveis pela condução elétrica interna nas pilhas. "Os insights obtidos aqui têm implicações significativas para o desenvolvimento de eletrodos e condutores desse tipo melhores para dispositivos muito avançados tecnologicamente."
MIECs
As baterias usadas em aparelhos comuns, como tablets, celulares ou computadores, atualmente são feitas do metal lítio. Ele é aplicado em sua forma iônica, que em química quer dizer carregado eletricamente, com possibilidade de passar ou de receber corrente elétrica — o que, no caso das pilhas, é a própria energia que serve aos aparelhos, o que se conhece como "carga" do equipamento.
Para que a transmissão de carga do lítio para os dispositivos ocorra, é preciso que haja contato com algum material condutor. Nas baterias comerciais modernas, a condução se dá por filetes de metal, placas que existem dentro de cada peça e que fazem esse processo. Como também têm estrutura iônica, esses condutores são chamados 'mistos iônicos-eletrônicos', daí a sigla MIEC, em inglês.
No estudo, foram analisadas propriedades químicas desses materiais e como acontece a transmissão de carga no meio deles. Os testes se basearam em teorias eletroquímicas avançadas, como a da difusão fracionada e a dos princípios da impedância, que é a capacidade que um material tem de reter a energia que passa por ele, ou seja, resistir à corrente. Há nesse processo, porém, inevitavelmente um pequeno desperdício de eletricidade.
Com a medição da impedância, os cientistas chegaram a padrões de maior rendimento das baterias, já que condutores MIECs com impedâncias menores aproveitam uma quantidade de carga maior. A principal descoberta desse novo estudo está ligada à espessura das placas MIECs das pilhas. Os testes mostraram que quanto mais finos são os filetes condutores, mais rápido acontece o transporte de eletricidade pelos íons, e, com isso, mais veloz é o carregamento e uma quantidade maior de energia consegue ser acumulada.
Além disso, com esse armazenamento otimizado, o desgaste dos materiais se mostrou menor, pois as trocas iônicas ocorreram mais rapidamente e "gastaram" menos os eletrodos. Com isso, as baterias duraram mais, visto que a vida útil delas está diretamente ligada ao estado físico dos componentes do circuito interno. A expectativa dos cientistas é de que esses conhecimentos possam ter uso comercial na elaboração de novas pilhas mais eficientes no futuro.
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Difusão fracionada
Conceito eletroquímico importante que explica como as baterias são carregadas (quando estão na tomada) e como descarregam (enquanto estão em uso por um aparelho). É o processo espontâneo de movimento dos íons dentro da pilha — ou seja, o transporte de cargas elétricas de um ponto onde há muita energia para outro, onde há menos.
No carregamento, os íons vão, a partir da energia da tomada, para os eletrodos “vazios” da bateria. Durante o uso, esses íons transportam a eletricidade para placas do aparelho, que consome a carga armazenada na pilha.
A velocidade desse processo de difusão dos íons em momentos diferentes, ou ‘fracionada’, é crucial para definir o tempo que a bateria vai levar para ser carregada e para descarregar, além do seu potencial de guardar mais ou menos energia.