Brasileiros desenvolvem eletrodos avançados para baterias sólidas e baratas

Com informações da Agência Fapesp - 05/12/2022

Os eletrodos são feitos de nióbio e nanotubos de carbono.
[Imagem: CINE]

Baterias de sódio

Pesquisadores do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) desenvolveram um material capaz de melhorar o desempenho das baterias e dos supercapacitores baseados em íons de sódio, tecnologia alternativa à de íons de lítio, a mais usada atualmente.

O CINE é um centro multidisciplinar e multi-institucional de pesquisa em engenharia, com sedes nas universidades Estadual de Campinas (Unicamp) e de São Paulo (USP) e no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen).

Seja na tecnologia de lítio ou de sódio, os íons são os encarregados de transportar e estocar elétrons durante a carga e a descarga dos dispositivos. Nesses processos, os íons penetram o material dos eletrodos, sendo que os menores conseguem fazê-lo mais rapidamente. Nesse ponto, embora o sódio seja pequeno, o lítio é campeão, sendo o menor íon em estado sólido da tabela periódica.

Contudo, o sódio apresenta uma importante vantagem: Trata-se de um elemento abundante e bem distribuído no planeta, tanto na crosta terrestre quanto, principalmente, no mar. Essa característica facilitaria a produção mundial de dispositivos de armazenamento de energia, cada vez mais demandados, dentro dos esforços para diminuir as emissões de carbono e estocar eletricidade proveniente de fontes renováveis como o sol e os ventos. No caso do lítio, as reservas são menos abundantes e se concentram em poucos países.

"Em nosso trabalho desenvolvemos dispositivos que funcionam com íons de sódio - uma tecnologia cuja viabilidade econômica é muito mais interessante do que a de íons de lítio e que poderia ser fabricada em muitos países, inclusive no Brasil," disse o professor Hudson Zanin, pesquisador do programa Armazenamento Avançado de Energia.

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Eletrodo de nióbio e nanotubos

Apesar de seu potencial, a tecnologia de baterias de sódio ainda não está pronta para a comercialização. Um dos desafios principais para viabilizá-la é desenvolver eletrodos nos quais os íons de sódio possam entrar e sair mais rapidamente.

E foi nesse quesito que a pesquisadora Carla Real inovou, desenvolvendo um novo material para os eletrodos, formado por nanotubos de carbono misturados com nanopartículas de pentóxido de nióbio (Nb₂O₅).

Os resultados dos experimentos e das simulações computacionais mostraram que o eletrodo funcionou muito bem nos principais mecanismos de armazenamento de cargas desses dispositivos - a intercalação e a adsorção -, e isso tanto em baterias quanto em supercapacitores, que armazenam mais energia, mas a liberam mais rapidamente.

Os íons de sódio penetraram o pentóxido de nióbio em velocidade ultrarrápida e foram bem adsorvidos por eletrostática na grande área superficial provida pelos nanotubos de carbono. Em consequência, a capacitância dos dispositivos - a sua habilidade de coletar e armazenar cargas elétricas - aumentou significativamente em relação ao eletrodo convencional de nanotubos sem nanopartículas.

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