Bateria mistura polos para recarregar em segundos

Redação do Site Inovação Tecnológica

Com anodo (cinza, com sinal de menos), separador (verde) e catodo (azul, sinal de mais) interpenetrantes, cada um com cerca de 20 nanômetros, a bateria carrega extremamente rápido. [Imagem: Wiesner Group]

Revolução nas baterias?

Há muito tempo que o mundo espera um salto tecnológico nas baterias, que têm conseguido melhorar apenas marginalmente e, mesmo assim, à custa de operarem no limite da tecnologia, o que se pode comprovar pelos vários casos de incêndios e explosões.

Talvez essa tão esperada revolução esteja batendo às portas, graças ao trabalho de uma equipe da Universidade Cornell, nos EUA.

A ideia é simples: Em vez da arquitetura tradicional das baterias atuais, onde um catodo e um anodo são postos de cada lado de um separador não-condutor, esses componentes são entrelaçados em uma estrutura 3D giroidal, na qual milhares ou milhões de poros em nanoescala são preenchidos com os elementos necessários para o armazenamento e a liberação da energia.

Para isso, foram usados copolímeros de bloco, cadeias repetitivas de moléculas poliméricas já usadas em muitos produtos industriais. A grande vantagem desse tipo de material é que ele se forma por um processo de automontagem, que resulta em uma porosidade muito elevada.

Detalhe da fabricação dos componentes intercalados da bateria. [Imagem: J. G. Werner et al. - 10.1039/C7EE03571C]

Arquitetura da bateria 3D

As películas finas giroidais - o anodo da bateria, gerado pela automontagem dos copolímeros em bloco - têm poros periódicos da ordem de 40 nanômetros de largura. Esses poros foram revestidos com um separador eletricamente isolante, mas condutor de íons, de 10 nm de espessura, através de eletropolimerização, o que, pela própria natureza do processo, produz uma camada de separação isenta de orifícios, o que é essencial para evitar que a bateria entre em curto.

A seguir é adicionado o material catódico - neste caso, enxofre - em uma quantidade que não preencha completamente o restante dos poros. Como o enxofre pode aceitar elétrons, mas não conduz eletricidade, o passo final é preencher tudo com um polímero condutor de elétrons - conhecido como PEDOT.

"Esta é uma arquitetura de bateria verdadeiramente revolucionária," disse o professor Ulrich Wiesner. "Esta arquitetura tridimensional basicamente elimina todas as perdas de volume morto no seu dispositivo. Mais importante, encolher as dimensões desses domínios interpenetrados até a nanoescala, como fizemos, dá a você uma densidade de potência várias ordens de grandeza maior. Em outras palavras, você pode acessar a energia em tempos muito mais curtos do que o que normalmente é feito com as arquiteturas de baterias convencionais."

Isto significa também que essa bateria pode recarregar de forma extremamente rápida porque as cargas são guardadas em componentes nanométricos, e chegam rapidamente até seus "compartimentos" pela intrusão do polímero condutor por todos os poros.

Mas nem tudo está pronto para ser empacotado e vendido como uma nova bateria para celulares e notebooks que recarrega quase instantaneamente. As variações de volume do material durante a carga e a descarga lentamente degradam o PEDOT, que não acompanha a mudança de volume do enxofre. Esse é o desafio a ser vencido a seguir.

Bibliografia:

Block copolymer derived 3-D interpenetrating multifunctional gyroidal nanohybrids for electrical energy storage
J. G. Werner, G. G. Rodríguez-Calero, H. D. Abruñab, U. Wiesner
Energy & Environmental Science
Vol.: 11, 1261-1270
DOI: 10.1039/C7EE03571C