Pesquisadores da Universidade Federal do Paraná desenvolveram uma inovadora bateria aquosa de íons de sódio que se destaca por ser sustentável, recarregável, transparente e flexível. Criada com nanocompósitos atóxicos e acessíveis, a tecnologia surge como uma alternativa ecológica às baterias de lítio, superando problemas geopolíticos e impactos da mineração. O estudo foi capa do periódico internacional Sustainable Energy and Fuels, projetando a ciência brasileira globalmente.
A preparação da primeira bateria aquosa, de íons sódio, sustentável, recarregável, e que contém um conjunto importante de características únicas como transparência, flexibilidade e estabilidade, foi realizada por pesquisadores brasileiros. Mais precisamente, do Grupo de Química de Materiais da Universidade Federal do Paraná (GQM-UFPR). O artigo descrevendo a preparação e operação dessa bateria foi capa de um importante periódico internacional, o Sustainable Energy and Fuels, da Royal Society of Chemistry, da Inglaterra.
E por que isso importa?
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Em 2019, O Prêmio Nobel de Química de 2019 foi concedido a três pesquisadores que tornaram possível a existência de baterias de íons lítio. Talvez você não as reconheça com esse nome, mas saiba que é absolutamente dependente dessa tecnologia: tratam-se das baterias presentes em todos os telefones celulares, computadores portáteis, tablets, nos carros elétricos, além de vários outros dispositivos modernos.
O princípio de funcionamento dessas baterias baseia-se no movimento de cátions lítio. O cátion é um átomo carregado positivamente. E o lítio é o terceiro elemento químico da tabela periódica. Esses elementos se localizam entre duas regiões da bateria, chamada de eletrodos, que são separados por outra região, chamada de eletrólito.
Durante o processo de uso da bateria, os íons lítio saem de um dos eletrodos, passam pelo eletrólito e chegam ao outro eletrodo, de forma espontânea, gerando uma corrente elétrica externa que é usada para gerar trabalho. Ou seja, sua função é fazer nossos equipamentos funcionarem.
Quando esse movimento cessa, a bateria descarrega. Para recarregá-la, um trabalho externo é realizado, através da tomada, com nossos carregadores. E isso força o movimento contrário, ou seja, o retorno dos íons lítio ao eletrodo oposto.
Todo esse processo é fortemente dependente dos materiais que formam os eletrodos. A sua característica principal é que eles consigam "acomodar" os íons lítio durante o processo de carga e descarga da bateria. A forma cientificamente correta de dizer isso é que consigam intercalar o lítio em sua estrutura. Também, o eletrólito é fundamental: é ele que garante que os íons lítio consigam se movimentar de um lado para o outro.
Problemas geopolíticos e ambientais
Apesar de extremamente eficientes, as baterias de íons lítio têm vários problemas. E o principal deles, é justamente o lítio.
Esse elemento tem sérios inconvenientes geopolíticos. Está concentrado em poucos lugares do planeta. Além disso, o processo de extração do lítio é extremamente danoso ao meio ambiente, pois faz uso de grande quantidade de água, acarretando em poluição de reservatórios e entorno, e alteração do ciclo hidrológico.
Além disso, emite uma grande quantidade de gás carbônico. Outro problema é que gera uma grande quantidade de resíduo mineral. E por fim, acarreta problemas respiratórios para trabalhadores e população do entorno.
Há soluções?
Substituir o lítio, por algum elemento que minimize ou anule esses problemas pode ser uma solução. Sódio e potássio são os candidatos. O sódio que está presente no sal de cozinha. Uma bateria de íons sódio é muito mais ecológica e sustentável que uma de íons lítio, e funciona exatamente da mesma forma. Só que agora quem se movimenta de um eletrodo a outro são os íons sódio, ao invés dos íons lítio. Mas importante esclarecer que os materiais dos eletrodos que funcionam muito bem para os íons lítio não funcionam para os íons sódio.
No que diz respeito ao eletrólito: os atualmente usados nas baterias de íons lítio são baseados em compostos orgânicos, que são tóxicos, inflamáveis, explosivos, e derivados, direta ou indiretamente, do petróleo. Ou seja, nada sustentáveis.
A solução perfeita para aumentar a segurança, baixar o preço e garantir sustentabilidade seria substituí-los por água! Teríamos então as chamadas baterias aquosas. O problema é que a forma de operação dos eletrodos, de novo, é diferente se os íons estiverem em solventes orgânicos (tecnologia atual) ou em água.
Caminhos percorridos
Com esse cenário, o caminho para baterias sustentáveis aquosas e de íons sódio apresenta grandes desafios científicos e tecnológicos. Precisávamos encontrar novos materiais para serem usados como eletrodos e eletrólitos, que contemplassem essa nova configuração.
Importante ressaltar que temos trabalhando nessa temática há alguns anos e o nosso artigo de capa no periódico da Royal Society of Chemistry reflete exatamente nossa busca. Com nossa experiência, encontramos algumas soluções, baseadas em certos princípios.
Bons materiais para eletrodos em baterias aquosas de íons sódio são formados pela combinação de mais de um material, originando os chamados nanocompósitos. Nestes, a presença de diferentes estruturas em contato íntimo dá origem a novas propriedades. Essas propriedades aumentam significativamente o desempenho dos materiais e a capacidade de intercalação dos íons sódio dissolvidos em água.
Além disso, o processamento dos materiais dos eletrodos na forma de filmes finos, ou seja, de uma película extremamente fina recobrindo uma superfície sólida é outra opção. Nenhuma dessas tarefas é fácil.
Projeção internacional
No caso dos filmes finos, eles foram preparados por meio de uma rota inédita e totalmente desenvolvida pelo nosso grupo na UFPR, no Paraná, que ganhou uma grande projeção internacional, que foi batizada como "rota interfacial líquido/líquido".
Resumidamente, a técnica se baseia em utilizar a interface entre dois líquidos imiscíveis (água e óleo, por exemplo), pra confinar o material na forma de um filme. Ao utilizar essa técnica, desenvolvemos o material para um dos eletrodos formado pela combinação de três componentes: dissulfeto de molibdênio; grafeno, que é um material formado só por átomos de carbono, com a espessura de um único átomo, considerado o material mais fino do mundo; e nanopartículas de óxido de cobre.
Esse material, além de ser sustentável, é formado por componentes baratos, atóxicos, e apresenta a maior capacidade descrita na literatura até hoje para um dos eletrodos para baterias aquosas de íons sódio.
Para o outro eletrodo, desenvolvemos também vários materiais, com destaque para um formado entre nanotubos de carbono e um análogo do azul da Prússia. E para o eletrólito à base de água, preparamos um hidrogel, na forma de um sólido transparente, que permite uma grande condutividade de íons sódio em água.
E agora, que tal pensarmos em baterias sustentáveis para tecnologias avançadas, algumas que ainda sequer existem? Por exemplo, baterias transparentes, que permite sua integração com dispositivos optoeletrônicos, janelas, vidros, telas, etc.
Para isso, os componentes (eletrodos e eletrólito) devem ser transparentes, e quando montados juntos, a transparência deve permanecer. E outro exemplo, baterias flexíveis, para que se possibilite sua integração com dispositivos dobráveis e maleáveis, dispositivos "vestíveis", biossensores, dentre outros.
Temos muito orgulho de fazer ciência brasileira de ponta e poder divulgar para toda a comunidade científica internacional. A divulgação mais recente foi em uma conferência plenária no Brazilian Meeting on Inorganic Chemistry (BMIC), o maior evento brasileiro reunindo especialistas na área de Química Inorgânica, Terras Raras e Materiais. O evento foi promovido pela Divisão de Química Inorgânica da Sociedade Brasileira de Química, na cidade de Búzios, no Rio de Janeiro, e contou com centenas de pesquisadores nacionais e internacionais. E só foi viável pelo patrocínio de diversas entidades como Faperj, CNPq, Conselho Federal de Química, Royal Society of Chemistry, entre outras.
O projeto envolvendo baterias aquosas de íons sódio recebe financiamento do CNPq, CAPES, Fundação Araucária, INCT de Nanomateriais de Carbono e materiais 2D e INCT de Nanomateriais para a Vida.
