Jornal da USP*
Você já se perguntou por que não existem aviões comerciais elétricos, sem combustível? Se você tentar erguer os cerca de 250 kg da bateria de um carro elétrico com as próprias mãos, provavelmente encontrará a resposta. As baterias tradicionais precisam de grandes quantidades de barras de chumbo e também de água, que por si só é pesada. Além disso, essa água pode congelar nas baixas temperaturas das grandes altitudes. Parece inviável se o objetivo é levantar voo.
Protótipo da bateria. Foto: Ivan Conterno / Jornal da USPPor isso, pesquisadores do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen) e do programa de pós-graduação em Tecnologia Nuclear da Universidade de São Paulo (USP) criaram uma nova tecnologia para baterias, detalhada no Journal of Energy Storage, que viabiliza o armazenamento de energia em um dispositivo mais leve e sem os riscos de explosão ou congelamento.
A nova bateria é muito mais viável ecologicamente do que as baterias de lítio e 20 vezes mais leve que uma pilha de chumbo convencional. A invenção também pode funcionar em temperaturas extremas, inviáveis para as baterias encontradas hoje no mercado.
O dispositivo combina duas novidades da engenharia: as nanopartículas de chumbo, 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 pilha 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 que a de uma barra.
Laboratório do Centro de Células a Combustível e Hidrogênio, onde o protótipo de bateria foi desenvolvido e testado. Foto: Ivan Conterno / Jornal da USP
Sustentabilidade
Embora o chumbo tenha sido abandonado nos últimos anos, é um material muito mais seguro, fácil de ser reciclado e abundante que o lítio, usado nas cargas 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 pegar fogo”, avalia Rodrigo Fernando Brambilla de Souza, pesquisador a frente do trabalho.
Para funcionar como pilha, o lítio precisa do cobalto, cuja mineração causa um enorme impacto no meio ambiente. “Há poucas reservas de cobalto na América do Sul e na África, que estão se esgotando, e é difícil de reaproveitar porque há o risco de incêndio ao abrir a bateria e tentar reaproveitar o material”, explica ele.
Segundo Almir de Oliveira Neto, pesquisador do Ipen e orientador no programa de Tecnologia Nuclear da USP, 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”. Isso inclui toda sorte de celulares, computadores e outros dispositivos eletrônicos.
Embora o chumbo seja usado em baterias há mais de 150 anos, ainda existe muito a ser extraído e o que já foi retirado pode ser facilmente reciclado. “Nossa proposta precisa de menos chumbo por bateria. Isso a torna bem mais sustentável”, relata Rodrigo de Souza.
Versatilidade e segurança
As baterias são a fonte mais popular de energia móvel, embora já existam alternativas. Uma grande vantagem da tecnologia brasileira é a leveza e a flexibilidade.
Além disso, o novo modelo de armazenamento de energia funcionaria praticamente da mesma maneira tanto no nível do mar quanto em um satélite, o que aumenta a segurança, segundo Rodrigo. “Uma bateria de lítio em uma temperatura muito alta pode vir a explodir. Uma bateria de chumbo ou de níquel-cádmio tem problemas ou não funciona de forma adequada em temperaturas muito abaixo de zero porque a água congela, e essa não tem água.” A bateria brasileira pode operar em temperaturas que vão de -20ºC até cerca de 120ºC.
De acordo com Edson Pereira Soares, especialista em baterias do Ipen que trabalhou no projeto, os novos recursos nos automóveis sempre vêm acompanhados pelo aumento do peso das baterias, mesmo em veículos a combustão. “Se aumentar a autonomia do veículo, vai ter que aumentar o dispositivo de geração de energia, que ainda corre o risco de promover a explosão e o incêndio”.
Em dispositivos de chumbo, não há esse perigo, conta Almir. “A bateria de chumbo é a mais confiável de todas”.
Como funciona
As células com inúmeras nanopartículas de chumbo ficam sobre uma camada de carbono. A corrente elétrica caminha pelo carbono na parte exterior, que nos testes se mostrou estável por 500 ciclos de carga e descarga.
Esses micro pedacinhos de chumbo têm 35 nanômetros de comprimento e 5 nanômetros de espessura. Isso é muito menor que um grão de poeira e até difícil de imaginar, já que um nanômetro equivale a um milímetro dividido por 1 milhão de partes iguais.
Em uma membrana plástica compacta chamada célula a combustível PEM (proton-exchange membrane) ficam grudadas uma célula positiva de um lado e uma negativa do outro. As partículas positivas (prótons de hidrogênio) caminham do polo negativo para o positivo através dessa membrana. Ela substitui a água que seria usada em uma pilha comum. “As células de chumbo são condicionadas para que uma vire o polo positivo e outra, negativo”, explica 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 serem pedacinhos muito pequenos, o eletrodo pode ser dobrado e adaptado a qualquer superfície.
A pesquisa representa um salto de qualidade pois, nos últimos dez anos, os únicos avanços com baterias de chumbo tinham sido aditivos para diminuir o acúmulo de crostas nos eletrodos convencionais.
Quem se interessa por química percebe que a equação usada nessa bateria é parecida com o que se vê na escola. A única diferença é a estrutura, como explica Victória Amatheus Maia, aluna de doutorado do Programa de Tecnologia Nuclear e responsável pela obtenção das nanofolhas de chumbo.
"É uma membrana polimérica que vai servir para levar os compostos de hidrogênio. Os elétrons passam por fora, um circuito elétrico onde a energia é utilizada, enquanto por dentro da membrana vai o próton. Tem os eletrodos, cátodo e ânodo, como se fosse uma pilha convencional”.
Cada célula do protótipo tem aproximadamente 5 cm² e espessura de 1,2 milímetros. Variações e peças muito maiores já podem ser feitas, o que só depende de mais investimento. “Variando a proporção de chumbo e carbono é possível obter outros armazenadores de energia, que vamos abordar em outros trabalhos”, adianta Rodrigo aos interessados.
*Texto por Ivan Conterno. Originalmente publicado no Jornal da USP em 7/5/2024
