Baterias de zinco e água: 5 novidades promissoras

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/05/2023

As baterias de zinco são consideradas alternativas promissoras às baterias de íons de lítio.
[Imagem: ETH Zurich/Xin Zou]

Baterias de zinco

As baterias de zinco são consideradas uma das alternativas mais promissoras às baterias de íons de lítio por uma série de razões: O zinco é abundante, barato e possui uma infraestrutura de reciclagem já madura.

Além disso, as baterias de zinco podem armazenar muita eletricidade, não requerem necessariamente o uso de solventes orgânicos altamente inflamáveis como eletrólito - na verdade, elas podem ser fabricadas usando eletrólitos à base de água.

Mas ainda há desafios a serem vencidos: Quando as baterias de zinco são carregadas em alta tensão, a água no fluido eletrolítico reage em um dos eletrodos, formando o gás hidrogênio, diminuindo o volume do fluido eletrolítico e fazendo o desempenho da bateria cair. Além disso, essa reação causa um excesso de pressão na bateria que pode ser perigoso porque o hidrogênio pode simplesmente explodir. Outro problema é a formação de depósitos pontiagudos de zinco durante o carregamento da bateria, conhecidos como dendritos, um problema que também é comum nas baterias de íons de lítio.

Mas as vantagens são tamanhas que tem havido grande esforço no sentido de sanar esses problemas. Por isso é interessante acompanhar de perto o que está acontecendo nesse campo.

1) Menos sal na bateria

Dario Vazquez e colegas do Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, na Suíça, descobriram algo que pode ajudar nas reações indesejadas dentro da bateria.

Usando experimentos apoiados por simulações de computador, os pesquisadores descobriram que a concentração ideal de sais na bateria não é, como se supunha até agora, a mais alta possível: Na verdade, a melhor concentração é bem baixa, de cinco a dez moléculas de água por íon positivo do sal.

"Com uma concentração ideal de acetatos, fomos capazes de minimizar a depleção dos eletrólitos e prevenir dendritos de zinco tão bem quanto outros cientistas fizeram anteriormente com altas concentrações de sais tóxicos," disse Vazquez. "Além disso, com nossa abordagem, as baterias podem ser carregadas e descarregadas muito mais rapidamente."

Até agora, os pesquisadores testaram sua nova estratégia em uma bateria relativamente pequena, em escala de laboratório. O próximo passo será ampliar a abordagem e ver se ela também pode ser traduzida para baterias grandes.

Protótipo da bateria com eletrodo com a estrutura de um fio pronto para tecelagem.
[Imagem: Vazquez et al. - 10.1039/D3EE00205E]

2) Bateria de fibra

Nakarin Subjalearndee e colegas da Universidade do Estado da Carolina do Norte, nos EUA, construíram um cátodo, o eletrodo positivo da bateria, na forma de uma fibra.

Eles então usaram a fibra para criar um protótipo de bateria de íons de zinco com capacidade para alimentar pequenos aparelhos portáteis - já existem baterias em formato de fibra baseadas em outras tecnologias.

Os pesquisadores começaram com micropartículas de dióxido de manganês, de várias formas e tamanhos, então usaram um processo de fiação por aspersão para formar uma fibra feita de óxido de grafeno, com as partículas de dióxido de manganês embutidas.

Embora o desempenho da bateria ainda seja baixo, a equipe conseguiu usá-la para alimentar um relógio de pulso, e planeja continuar seu trabalho para melhorar o desempenho.

"Como estamos tentando fazer uma bateria de íons de zinco em forma de fibra, nos preocupamos não apenas com o desempenho da bateria, mas também com as propriedades mecânicas - precisamos que a fibra seja forte e também flexível. Em última análise, queremos fazer uma bateria em forma de fio, para que possamos colocá-la em uma roupa real e, de preferência, escondê-la," disse a professora Wei Gao.

As baterias de zinco orgânicas são as mais verdes de toda a família.
[Imagem: Yuan Chen et al. - 10.1002/anie.202302539]

3) Bateria orgânica de zinco

Yuan Chen, da Universidade de Ciência e Tecnologia Huazhong, na China, está apostando no aspecto "verde" das baterias de zinco.

Para isso, ele se voltou para as baterias cujos eletrodos são feitos com materiais orgânicos redox, que podem ser sintetizados a partir de materiais naturais, mais ambientalmente corretos.

Embora ainda estejam no início de seu longo caminho em direção à aplicação prática, as baterias orgânicas aquosas podem ser recicladas de forma fácil e barata.

Chen escolheu o azobenzeno, um material que pode ser produzido de forma barata em larga escala e é insolúvel em água, embora seja altamente solúvel em solventes orgânicos. Enquanto a maioria dos outros grupos funcionais conseguem transferir apenas um elétron, o grupo azo nesta molécula é capaz de transferir reversivelmente dois elétrons, o que contribui para uma alta capacidade da bateria.

Durante o processo de descarga, o azobenzeno é convertido em hidroazobenzeno após absorver dois dos elétrons - por meio da ligação rápida e reversível de dois prótons (H+).

A equipe construiu protótipos de baterias tipo moeda e bolsas laminadas de vários tamanhos e várias camadas, que atingiram capacidades na escala de ampères-hora, capacidades essas que foram mantidas por mais de 200 ciclos de carga/descarga.

Finalmente o mistério do nascimento dos dendritos foi resolvido.
[Imagem: Xue Zhang/MPI for Polymer Research]

4) Origem dos dendritos

Chao Zhu e colegas do Instituto Max Planck para Pesquisa de Polímeros, na Alemanha, estavam trabalhando com as tradicionais baterias de íons de lítio, mas o problema que eles estavam abordando também afeta as baterias de zinco, tornando-se relevantes para elas.

O problema é a geração de dendritos, estruturas similares a agulhas que se desenvolvem no interior das baterias, em última instância causando curtos-circuitos e inutilizando a bateria - quando não a faz pegar fogo ou mesmo explodir.

O que ninguém sabia até hoje era se os dendritos se formam em ambos os pólos, semelhante à forma como as estalactites crescem do teto e as estalagmites do chão em uma caverna de calcário, até que se encontrem no meio, ou se eles se formam apenas em um pólo.

A equipe usou uma técnica de microscopia eletrônica estado da arte para checar o que acontecia dentro do eletrólito, especificamente no modo como os átomos se rearranjam durante o carregamento e o descarregamento da bateria.

"Quando a bateria de estado sólido é carregada, a microscopia de força de sonda Kelvin nos mostra que os elétrons se acumulam ao longo dos limites de grão - especialmente perto do pólo negativo," contou Zhu.

Os elétrons acumulados podem reduzir os íons de lítio que viajam através do eletrólito sólido, gerando lítio metálico. Isso faz com que o lítio se assente e forme um dendrito. A cada processo de carregamento, o dendrito continua a crescer até finalmente causar um curto-circuito nos polos.

Como a densidade eletrônica aumenta principalmente no pólo negativo, os dendritos só começam a crescer ali.

É a primeira vez que uma bateria de zinco-oxigênio supera os 2 V de saída sustentada.
[Imagem: Kosuke Ishibashi et al. - 10.1063/5.0131602]

5) Bateria de zinco-ar

Com um potencial extra de alta densidade energética, baixo custo e uma composição amiga da natureza, as baterias de zinco-ar - que retiram oxigênio do ar ambiente - ainda sofrem com uma baixa tensão de saída.

Sua baixa tensão de 1,4 V - contra 3,7 V de uma célula de lítio - continua sendo uma barreira para o uso mais generalizado, o que explica porque as baterias de zinco-ar são encontradas principalmente em dispositivos eletrônicos que precisam de baixa potência por longos períodos de tempo, como aparelhos auditivos.

Agora, pesquisadores japoneses conseguiram pela primeira vez superar a barreira dos 2 V com uma célula de zinco-ar - na verdade eles chegaram muito próximo aos 3 V.

A tensão de uma bateria é determinada pela diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo. O potencial do ânodo nas baterias de zinco-ar envolve a dissolução do zinco no eletrólito, enquanto o potencial do cátodo diz respeito à conversão da energia química do oxigênio em energia elétrica, ou seja, a reação de redução do oxigênio.

"Nós tiramos proveito de uma célula com um cátodo livre de metais raros e eletrólitos ácidos/alcalinos dispostos em conjunto para superar o principal gargalo das baterias de metal-ar," contou o professor Hiroshi Yabu, da Universidade de Tohoku. "Isso nos levou a perceber que, tornando o eletrólito alcalino no lado do ânodo de zinco, e criando condições ácidas no lado do cátodo, poderíamos gerar uma tensão mais alta."

Com a melhoria resultante na reação de redução de oxigênio, a equipe acredita que agora dá para sonhar com tensões de saída ainda mais altas.

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