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O mundo precisa de baterias baratas e potentes que possam armazenar eletricidade produzida de forma sustentável a partir do vento ou da luz solar, para que possamos usá-la sempre que precisarmos, mesmo quando estiver escuro lá fora ou sem vento. As baterias mais comuns que alimentam nossos smartphones e carros elétricos são as baterias de íons de lítio. Elas são muito caras porque a demanda mundial por lítio está aumentando, e essas baterias também são altamente inflamáveis.
As baterias de zinco à base de água oferecem uma alternativa promissora a essas baterias de íons de lítio. Uma equipe internacional de pesquisadores liderada pela ETH Zurich desenvolveu uma estratégia que traz avanços importantes para o desenvolvimento dessas baterias de zinco, tornando-as mais potentes, seguras e ecologicamente corretas.
Durabilidade é um desafio
Há uma série de vantagens para as baterias de zinco: o zinco é abundante, barato e possui infraestrutura de reciclagem madura. Além disso, as baterias de zinco podem armazenar muita eletricidade. Mais importante ainda, as baterias de zinco não requerem necessariamente o uso de solventes orgânicos altamente inflamáveis como fluido eletrolítico, pois também podem ser feitas usando eletrólitos à base de água.
Se ao menos não houvesse desafios que os engenheiros devem enfrentar ao desenvolver essas baterias: quando as baterias de zinco são carregadas em alta tensão, a água no fluido eletrolítico reage em um dos eletrodos para formar o gás hidrogênio. Quando isso acontece, o fluido eletrolítico diminui e o desempenho da bateria diminui. Além disso, esta reação causa um excesso de pressão na bateria que pode ser perigoso. Outro problema é a formação de depósitos pontiagudos de zinco durante o carregamento da bateria, conhecidos como dendritos, que podem perfurar a bateria e, no pior dos casos, até causar curto-circuito e inutilizá-la.
Sais tornam as baterias tóxicas
Nos últimos anos, os engenheiros seguiram a estratégia de enriquecer o eletrólito líquido aquoso com sais para manter o teor de água o mais baixo possível. Mas também há desvantagens nisso: torna o fluido eletrolítico viscoso, o que retarda consideravelmente os processos de carga e descarga. Além disso, muitos dos sais utilizados contêm flúor, tornando-os tóxicos e nocivos ao meio ambiente.
Maria Lukatskaya, professora de Sistemas de Energia Eletroquímica na ETH Zurich, agora uniu forças com colegas de várias instituições de pesquisa nos Estados Unidos e na Suíça para buscar sistematicamente a concentração de sal ideal para baterias de íons de zinco à base de água. Usando experimentos apoiados por simulações de computador, os pesquisadores conseguiram revelar que a concentração ideal de sal não é, como se supunha anteriormente, a mais alta possível, mas relativamente baixa: cinco a dez moléculas de água por íon positivo do sal.
Desempenho duradouro e carregamento rápido
Além do mais, os pesquisadores não usaram sais prejudiciais ao meio ambiente para suas melhorias, optando por sais de ácido acético ecologicamente corretos, chamados acetatos. “Com uma concentração ideal de acetatos, fomos capazes de minimizar a depleção de eletrólitos e prevenir os dendritos de zinco tão bem quanto outros cientistas fizeram anteriormente com altas concentrações de sais tóxicos”, diz Dario Gomez Vazquez, estudante de doutorado no grupo de Lukatskaya e principal autor de o estudo. “Além disso, com nossa abordagem, as baterias podem ser carregadas e descarregadas muito mais rapidamente.”
Até agora, os pesquisadores da ETH testaram sua nova estratégia de bateria em uma escala de laboratório relativamente pequena. O próximo passo será ampliar a abordagem e ver se ela também pode ser traduzida para baterias grandes. Idealmente, eles poderiam um dia ser usados como unidades de armazenamento na rede elétrica para compensar flutuações, digamos, ou nos porões de residências unifamiliares para permitir que a energia solar produzida durante o dia seja usada à noite.
Ainda há alguns desafios a serem superados antes que as baterias de zinco estejam prontas para o mercado, como explica o professor Lukatskaya da ETH: as baterias consistem em dois eletrodos – o ânodo e o cátodo – e o fluido eletrolítico entre eles. “Mostramos que, ao ajustar a composição do eletrólito, o carregamento eficiente dos ânodos de zinco pode ser ativado”, diz ela. “No futuro, no entanto, os materiais de cátodo de desempenho também terão que ser otimizados para criar baterias de zinco duráveis e eficientes”.
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