Teoria unifica baterias e capacitores e pode revolucionar armazenamento de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/03/2022

Capacitores e baterias não devem mais ser vistos como coisas diferentes, mas variações de um mesmo tema, propõem os pesquisadores.
[Imagem: Simon Fleischmann et al. - 10.1038/s41560-022-00993-z]

Transição de bateria para capacitor

Por décadas, pesquisadores e engenheiros têm considerado as baterias e os capacitores como dois dispositivos distintos de armazenamento de energia - as baterias citadas por armazenar mais energia, mas liberando-a lentamente; e os capacitores citados por armazenar menos energia, mas capazes de descarregá-la rapidamente, autênticos "jatos de energia".

Desta forma, cada novo dispositivo de armazenamento desenvolvido tem sido categorizado como um ou outro, ou com alguma relação com um dos dois, dependendo do mecanismo eletroquímico principal.

Contudo, uma equipe internacional de pesquisadores, todos líderes no desenvolvimento e estudo das tecnologias de armazenamento de energia, está sugerindo agora que esses mecanismos existem em um espectro contíno e suave, sem uma fronteira que coloque cada dispositivo inexoravelmente de um ou de outro lado. E, mais importante, eles argumentam que a separação empregada hoje está na verdade atrapalhando o progresso no campo.

Continuum de armazenamento

Em outras palavras, Simon Fleischmann e seus colegas sugerem que todos os mecanismos de armazenamento de energia eletroquímica existem em algum lugar em um continuum entre aqueles que operam nas baterias e aqueles que habilitam os capacitores - hoje é mais comum ouvir falar nos supercapacitores.

Romper com esse paradigma pode ter efeitos práticos dramáticos, permitindo, por exemplo, fabricar dispositivos que tenham o melhor das duas abordagens, como baterias flexíveis e "secas" e com alta capacidade de armazenamento e liberação de corrente conforme a necessidade. Materiais monoatômicos, por exemplo, como os Mxenos, parecem ser talhados para fazer esses híbridos de baterias e supercapacitores.

"Nós propomos uma abordagem unificada que envolve uma transição da visão 'binária' do armazenamento de carga eletroquímica em espaços nanoconfinados, ou como um fenômeno puramente eletrostático ou como um fenômeno puramente farádico," escrevem eles. "Ela deve ser considerada coma uma transição contínua entre os dois, determinada pela extensão da solvatação dos íons e da interação íon-hospedeiro."

Já existem protótipos de híbridos de bateria e supercapacitor.
[Imagem: Catherine R. Mulzer et al. - 10.1021/acscentsci.6b00220]

Armazenamento farádico e armazenamento eletrostático

Em termos simples, uma extremidade desse espectro de armazenamento de energia é uma ligação química - o mecanismo básico de conexão, uma ligação física no nível atômico. Este fenômeno, chamado de reação farádica, dá às baterias sua excelente capacidade de armazenamento de energia e permite que elas liberem carga gradualmente. Mas também é a razão pela qual elas demoram tanto para carregar, algo que se pretende resolver com as baterias quânticas.

A outra extremidade do espectro é uma atração eletrostática, que aprisiona temporariamente os íons dentro e sobre a superfície de um material. Trata-se mais de uma atração passageira do que de um vínculo verdadeiro, permitindo as rápidas explosões de energia que alimentam os flashes das câmeras e a absorção de energia de curto prazo da frenagem dos carros híbridos e elétricos, ou seja, recargas quase instantâneas.

A cada novo desenvolvimento na tecnologia de armazenamento de energia, seja uma nova combinação de materiais de eletrodos e soluções eletrolíticas, ou aditivos físicos ou químicos para reduzir ou permitir a transferência de íons, os pesquisadores se esforçam para observar e caracterizar com precisão o mecanismo de armazenamento eletroquímico que está operando em seu dispositivo, e então o coloca na "caixinha" mais adequada da classificação.

As baterias estruturais, por exemplo, que prometem armazenar energia na lataria dos carros, hoje são tecnicamente definidas como supercapacitores.
[Imagem: Korea Institute of Materials Science (KIMS)]

Retardando a tecnologia

Os autores do novo trabalho defendem que, em muitos casos, essas definições restritas não são precisas e nem úteis, sobretudo quando se trata de adaptar os dispositivos às necessidades específicas de cada nova tecnologia.

"Os chamados 'pseudocapacitores' e dispositivos híbridos de armazenamento de energia são estudados há pelo menos 30 anos, mas alguns cientistas tentaram rejeitar completamente a pseudocapacitância, alegando que existem apenas esses dois casos extremos e todo o resto é uma superposição de dois mecanismos que atuam em paralelo," exemplificou o professor Yury Gogotsi, da Universidade Drexel, nos EUA, um dos autores do estudo.

A equipe aponta que, em muitos desses dispositivos híbridos, os íons são quase absorvidos entre as camadas dos eletrodos. Em outros, onde nanomateriais porosos foram projetados para maximizar a absorção química total, ou adsorção de íons, os pesquisadores têm observado descargas de energia muito mais rápidas, provavelmente devido à persistência da substância eletrolítica impedindo que os íons se intercalem totalmente.

Ambas as instâncias estão fora do ideal, mas suas propriedades estão provando ser uma combinação valiosa quando se trata de potencializar novas tecnologias, defende a equipe.

"Nós esperamos que a compreensão da dessolvatação de íons [remoção dos íons das moléculas de solvente] e seu papel na determinação do mecanismo de armazenamento de energia nos permita chegar ao ponto em que poderemos combinar alta energia e alta potência em um único dispositivo de armazenamento de energia," disse Gogotsi. "Pense em baterias carregando em poucos minutos - você conecta seu celular, desconecta alguns minutos depois e pode usá-lo pelo menos por algumas horas. No caso de materiais 2D, como MXenos ou grafeno, podemos fabricar baterias para eletrônicos flexíveis e vestíveis."

Mais tópicos