[A pesquisadora Victória Maia mostra um dos protótipos da bateria flexível. A parte transparente é uma membrana de troca de prótons que substitui o meio líquido de uma bateria convencional, e a parte escura são as nanopartículas de chumbo que constituem os eletrodos, positivo de um lado e negativo do outro.]
[Imagem: USP]
Bateria de chumbo reinventada
Se já podemos ter carros elétricos na garagem, por que ainda não voamos em aviões elétricos? Se você tentar erguer os cerca de 250 kg da bateria de um carro elétrico com as próprias mãos, certamente encontrará a resposta.
Além disso, as baterias tradicionais precisam de água, que por si só é pesada, além de poder congelar nas baixas temperaturas das grandes altitudes.
De olhos nesses desafios, pesquisadores do IPEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares) e da USP criaram uma nova tecnologia para baterias à base de chumbo que viabiliza o armazenamento de energia em um dispositivo mais leve e sem os riscos de explosão ou congelamento.
Apesar de usar chumbo, a nova bateria é mais viável ecologicamente do que as baterias de íons de lítio e 20 vezes mais leve do que uma bateria de chumbo convencional, como as que usamos nos carros a combustão. Ela também pode funcionar em temperaturas extremas, inviáveis para as baterias encontradas hoje no mercado.
Melhor que bateria de lítio
A nova bateria combina duas novidades da engenharia: Chumbo na forma de nanopartículas, uma reinvenção em formato flexível dos eletrodos mais antigos - de quando o lítio ainda não dominava o mercado -, e uma membrana muito leve e compacta que substitui a água de uma bateria comum.
Em vez de grandes cápsulas rígidas, o novo sistema se apresenta como uma fita flexível capaz de armazenar mais energia em um espaço muito menor. Isso é possível porque a área de contato do eletrodo, o chumbo partido em milhões de pedacinhos, é muito maior do que a de uma barra sólida do metal.
Embora o chumbo venha sendo abandonado nos últimos anos, ele é um material muito mais seguro (as baterias não explodem), fácil de ser reciclado e abundante do que o lítio, usado nas baterias de celulares, computadores e carros modernos. "Já existem indústrias de reciclagem de chumbo; de lítio ainda não são comuns. As baterias de lítio se acumulam nos lixos eletrônicos e se reza para não pegarem fogo," comenta o pesquisador Rodrigo de Souza. E, para funcionar como pilha - a célula unitária de uma bateria -, o lítio precisa do cobalto, cuja mineração causa um enorme impacto no meio ambiente.
Além disso, as baterias de lítio surgiram por serem mais leves do que as de chumbo, o que deixa de ser uma vantagem com a nova invenção brasileira.
"A partir do momento que você diminui o peso dessas baterias, elas podem ser aplicadas em outros dispositivos que não eram pensados anteriormente," explica o professor Almir de Oliveira, enumerando celulares, computadores e outros dispositivos eletrônicos.
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Híbrido de bateria e célula a combustível
As nanopartículas de chumbo têm 35 nanômetros de comprimento e 5 nanômetros de espessura, ou seja, são invisíveis a olho nu. Elas são depositadas sobre uma camada de carbono, sustentadas por uma membrana plástica compacta, formando uma célula a combustível PEM (proton-exchange membrane). As partículas positivas (prótons de hidrogênio) caminham do polo negativo para o positivo através dessa membrana.
A membrana substitui a água, que é usada em uma bateria comum para servir como meio de deslocamento dos íons. "As células de chumbo são condicionadas para que uma vire o polo positivo e outra, negativo," explicou Rodrigo.
O eletrodo de chumbo passa a ter uma área de contorno da superfície maior quando está dividido. É nessa área exposta que ocorrem as trocas de prótons. Por isso, esse fracionamento do chumbo aumenta a capacidade de armazenamento de energia da bateria como um todo. Se fossem barras, somente a parte de fora seria aproveitada. Também, por ser feito de pedacinhos muito pequenos, o eletrodo pode ser dobrado e adaptado a qualquer superfície, tornando a bateria flexível e moldável.
A pesquisa representa um salto de qualidade em nível mundial: Nos últimos dez anos, os únicos avanços envolvendo as baterias de chumbo tinham sido aditivos para diminuir o acúmulo de crostas nos eletrodos convencionais.
Cada célula do protótipo tem aproximadamente 5 cm2 e espessura de 1,2 milímetro, mas a tecnologia pode ser prontamente escalonada. A bateria brasileira pode operar em temperaturas que vão de -20 ºC até cerca de 120 ºC. Nos testes, os protótipos se mostraram estáveis por 500 ciclos de carga e descarga.
Bibliografia:
Artigo: Innovative lead-carbon battery utilizing electrode-electrolyte assembly inspired by PEM-FC architecture
Autores: Rodrigo F.B. de Souza, Gabriel A. Silvestrin, Felipe G. Da Conceição, Victoria A. Maia, Larissa Otubo, Almir O. Neto, Edson P. Soares
Revista: Journal of Energy Storage
Vol.: 86, Part B, 111418
DOI: 10.1016/j.est.2024.111418
