Cientistas desenvolvem baterias baseadas em elemento abundante no planeta

Pesquisadores do Centro de Inovação em Novas Energias (CINE) e colaboradores desenvolveram um material capaz de melhorar o desempenho de baterias e supercapacitores baseado em íons de sódio, tecnologia alternativa à de íons de lítio, a mais usada atualmente.

O CINE é um Centro de Pesquisa em Engenharia (CPE) constituído por FAPESP e Shell, com sedes na Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), Universidade de São Paulo (USP) e no Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen).

Em ambas as tecnologias, os íons são os encarregados de transportar e estocar elétrons durante a carga e a descarga dos dispositivos. Nesses processos, os íons penetram o material dos eletrodos, sendo que os menores conseguem fazê-lo mais rapidamente. Nesse ponto, embora o sódio seja pequeno, o lítio é campeão, sendo o menor íon em estado sólido da tabela periódica.

Contudo, o sódio apresenta uma importante vantagem: trata-se de um elemento abundante e bem distribuído no planeta, tanto na crosta terrestre quanto, principalmente, no mar. Essa característica facilitaria a produção mundial de dispositivos de armazenamento de energia, cada vez mais demandados, dentro dos esforços para diminuir as emissões de carbono e estocar eletricidade proveniente de fontes renováveis como o sol e os ventos. No caso do lítio, as reservas são menos abundantes e se concentram em poucos países.

“Em nosso trabalho desenvolvemos dispositivos que funcionam com íons de sódio – uma tecnologia cuja viabilidade econômica é muito mais interessante do que a de íons de lítio e que poderia ser fabricada em muitos países, inclusive o Brasil”, diz Hudson Zanin, professor da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e pesquisador do programa Armazenamento Avançado de Energia do CINE.

Essa tecnologia, porém, ainda não está pronta para a comercialização. Um dos desafios principais para viabilizá-la é desenvolver eletrodos nos quais os íons de sódio possam entrar e sair mais rapidamente. Nesse contexto, em artigo publicado no Journal of Energy Storage, Zanin e os demais autores apresentam um novo material para os eletrodos desses dispositivos formado por nanotubos de carbono com nanopartículas de pentóxido de nióbio (NbO5).

A equipe estudou o desempenho desse material como eletrodo de uma bateria e de um supercapacitor de íons de sódio. Os resultados dos experimentos e das simulações computacionais mostraram que o eletrodo funcionou muito bem nos principais mecanismos de armazenamento de cargas desses dispositivos: a intercalação e a adsorção.

Os autores observaram que os íons de sódio penetraram o pentóxido de nióbio em velocidade ultrarrápida e foram bem adsorvidos por eletrostática na grande área superficial dos nanotubos de carbono. Em consequência, a capacitância dos dispositivos – a sua habilidade de coletar e armazenar cargas elétricas – aumentou significativamente em relação ao eletrodo convencional de nanotubos sem nanopartículas.

O estudo foi realizado durante o doutorado de Carla Real, que está em andamento na Unicamp sob a orientação de Zanin. Contou com a colaboração de pesquisadores da Kansas State University (Estados Unidos) na produção e caracterização da bateria de sódio. Também participaram do trabalho pesquisadores da Universidade Federal do Mato Grosso (UFMT) e da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM), que ajudaram a compreender os fenômenos eletroquímicos fundamentais que ocorriam nos dispositivos.

O artigo Freestanding niobium pentoxide-decorated multiwalled carbon nanotube electrode: Charge storage mechanism in sodium-ion pseudocapacitor and battery pode ser lido em: www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2352152X22008027?via%3Dihub.

* Com informações do CINE, um Centro de Pesquisa em Engenharia apoiado por FAPESP e Shell.