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Baterias recarregáveis confiáveis e de alta capacidade são um componente crítico de muitos dispositivos e até mesmo meios de transporte. Desempenham um papel fundamental na mudança para um mundo mais verde. Uma grande variedade de elementos é utilizada na sua produção, incluindo o cobalto, cuja produção contribui para algumas questões ambientais, económicas e sociais. Pela primeira vez, uma equipe que inclui pesquisadores da Universidade de Tóquio apresenta uma alternativa viável ao cobalto que, em alguns aspectos, pode superar a química de baterias de última geração. Também sobrevive a um grande número de ciclos de recarga, e a teoria subjacente pode ser aplicada a outros problemas.
Provavelmente, você está lendo este artigo em um laptop ou smartphone e, se não, provavelmente possui pelo menos um deles. Dentro de qualquer um dos dispositivos, e de muitos outros, você encontrará uma bateria de íons de lítio (LIB). Há décadas, os LIBs têm sido a forma padrão de alimentar dispositivos e máquinas eletrônicos portáteis ou móveis. À medida que o mundo transita dos combustíveis fósseis, estes são vistos como um passo importante para utilização em carros eléctricos e baterias domésticas para aqueles com painéis solares. Mas assim como as baterias têm uma extremidade positiva e uma extremidade negativa, os LIBs têm pontos negativos em comparação com os positivos.
Por um lado, embora sejam algumas das fontes de energia portáteis com maior densidade de energia disponíveis, muitas pessoas desejam que os LIBs possam produzir uma densidade de energia maior para fazê-los durar mais ou alimentar máquinas ainda mais exigentes. Além disso, eles podem sobreviver a um grande número de ciclos de recarga, mas também se degradam com o tempo; seria melhor para todos se as baterias pudessem sobreviver a mais ciclos de recarga e manter as suas capacidades por mais tempo. Mas talvez o problema mais alarmante com os LIBs atuais resida num dos elementos utilizados para a sua construção.
O cobalto é amplamente utilizado em uma parte fundamental dos LIBs, os eletrodos. Todas as baterias funcionam de maneira semelhante: dois eletrodos, um positivo e outro negativo, promovem o fluxo de íons de lítio entre eles no que é chamado de eletrólito quando conectados a um circuito externo. O cobalto, entretanto, é um elemento raro; tão raro que actualmente só existe uma fonte principal: uma série de minas localizadas na República Democrática do Congo. Muitas questões foram relatadas ao longo dos anos sobre as consequências ambientais destas minas, bem como sobre as condições de trabalho aí existentes, incluindo a utilização de trabalho infantil. Também do ponto de vista da oferta, a fonte de cobalto é um problema devido à instabilidade política e económica na região.
“Há muitas razões pelas quais queremos abandonar o uso de cobalto para melhorar as baterias de íons de lítio”, disse o professor Atsuo Yamada, do Departamento de Engenharia de Sistemas Químicos. “Para nós o desafio é técnico, mas o seu impacto pode ser ambiental, económico, social e tecnológico. Temos o prazer de anunciar uma nova alternativa ao cobalto através da utilização de uma nova combinação de elementos nos eléctrodos, incluindo lítio, níquel, manganês , silício e oxigênio – todos elementos muito mais comuns e menos problemáticos para produzir e trabalhar.”
Os novos eletrodos e eletrólitos criados por Yamada e sua equipe não são apenas desprovidos de cobalto, mas na verdade melhoram a química atual da bateria em alguns aspectos. A densidade de energia dos novos LIBs é cerca de 60% maior, o que pode equivaler a uma vida útil mais longa, e pode fornecer 4,4 volts, em oposição a cerca de 3,2-3,7 volts dos LIBs típicos. Mas uma das conquistas tecnológicas mais surpreendentes foi melhorar as características de recarga. As baterias de teste com a nova química foram capazes de carregar e descarregar totalmente mais de 1.000 ciclos (simulando três anos de uso e carregamento completos), perdendo apenas cerca de 20% de sua capacidade de armazenamento.
“Estamos muito satisfeitos com os resultados até agora, mas chegar aqui teve seus desafios. Foi uma luta tentar suprimir várias reações indesejáveis que estavam ocorrendo nas primeiras versões de nossos novos produtos químicos de bateria, que poderiam ter reduzido drasticamente a longevidade do baterias”, disse Yamada. “E ainda temos um longo caminho a percorrer, pois existem pequenas reações persistentes a serem mitigadas, a fim de melhorar ainda mais a segurança e a longevidade. Atualmente, estamos confiantes de que esta pesquisa levará a baterias melhoradas para muitas aplicações, mas algumas, onde extrema durabilidade e vida útil são necessárias, podem não estar satisfeitos ainda.”
Embora Yamada e sua equipe estivessem explorando aplicações em LIBs, os conceitos subjacentes ao seu desenvolvimento recente podem ser aplicados a outros processos e dispositivos eletroquímicos, incluindo outros tipos de baterias, divisão de água (para produzir hidrogênio e oxigênio), fundição de minério, eletrorrevestimento e mais.
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