Bateria à base de água resiste a 120.000 ciclos de carga

Uma bateria à base de água suportou 120.000 ciclos de carga ao funcionar numa solução salina neutra semelhante à salmoura usada no tofu.

Esta estabilidade altera a perspetiva sobre a duração possível de uma bateria recarregável e sobre a segurança com que poderá ser eliminada após décadas de utilização.

Vantagens da química neutra

Durante ciclos laboratoriais repetidos, o protótipo continuou a carregar e a descarregar em água simples, sem a degradação corrosiva que condiciona muitas células convencionais.

Ao acompanhar esta resistência, o Dr. Chunyi Zhi, da City University of Hong Kong (CityUHK), associou diretamente a vida útil recorde da bateria à base de água à sua química neutra e não corrosiva.

Mesmo depois de ciclos incessantes, os elétrodos conservaram a sua estrutura e desempenho, em vez de se deteriorarem sob tensão química.

Esta durabilidade sustenta a principal conclusão do trabalho, embora permaneça a questão de como este sistema neutro consegue oferecer simultaneamente estabilidade e potência útil.

Minerais provenientes do tofu

Na produção de tofu, a salmoura contém coagulantes minerais, como cloreto de magnésio e sulfato de cálcio, que transformam o leite de soja em coalhada.

Neste caso, esses sais foram utilizados como eletrólito, o líquido que transporta carga elétrica entre os elétrodos.

Manter a mistura em 7,0 na escala de acidez assegurou a neutralidade e evitou que o líquido se tornasse corrosivo.

Embora esta química estável tenha reduzido o desgaste interno, também levou a equipa a repensar o elétrodo negativo.

Novo desenho do elétrodo negativo

Em vez de recorrer a um elétrodo negativo metálico, a equipa criou um componente de polímero orgânico covalente, uma rede de carbono formada por moléculas ligadas entre si.

Os canais porosos deste material disponibilizavam espaço para os iões, permitindo ao elétrodo armazenar carga sem formar depósitos metálicos.

Depois de compararem três versões, os investigadores escolheram um material chamado Hex TADD, um polímero orgânico covalente composto por unidades ligadas à base de carbono. A substância possui ligações dadoras de eletrões, que facilitam o movimento dos eletrões através da estrutura.

Mesmo um polímero negativo resistente precisa de um elétrodo positivo compatível, capaz de trocar iões sem perder a sua estrutura.

Parceiro de azul-da-Prússia

No lado positivo, a célula utilizou um análogo de azul-da-Prússia, um cristal capaz de receber e libertar iões.

A sua estrutura aberta armazenava carga ao alterar o estado do metal no interior da rede cristalina, revertendo essa alteração durante a recarga.

Embora seja conhecido como pigmento azul utilizado em tintas, o material manteve-se estável na água enquanto realizava repetidas trocas de iões.

Com este elétrodo positivo, a célula completa atingiu uma janela de 2,2 volts, ainda que a água limite a tensão máxima possível.

Testes à vida útil da bateria

Nos ensaios de esforço, a bateria à base de água permaneceu estável durante 120.000 ciclos de carga, muito além do que muitas células de laboratório conseguem alcançar.

Em cada ciclo, os iões eram obrigados a entrar e a sair dos elétrodos, pelo que ligações frágeis teriam falhado cedo. Em teoria, um conjunto do tamanho de um telemóvel, carregado uma vez por dia e construído desta forma, poderia durar mais de 300 anos.

Esta resistência é particularmente relevante em aplicações onde a substituição das baterias é difícil, como sensores remotos ou armários de armazenamento para a rede elétrica.

Capacidade energética da bateria

Além da longevidade, o dispositivo armazenou cerca de 3.200 miliampere-hora por onça de material ativo, o equivalente a 112,8 miliampere-hora por grama.

Essa carga resultava da entrada dos iões na estrutura do polímero e do seu regresso quando o circuito invertia o sentido.

Ao nível da célula completa, a energia específica - a energia armazenada por unidade de massa - aproximou-se de 22 watt-hora por libra (48,3 por quilograma).

Ainda assim, as baterias à base de água tendem a ficar atrás dos conjuntos de lítio em densidade energética, o que as limita a instalações maiores e mais pesadas.

Eliminação de resíduos de baterias

As alegações de segurança basearam-se numa química que não era nem fortemente ácida nem fortemente alcalina, pelo que eventuais fugas seriam semelhantes a água salgada.

Segundo a perspetiva da EPA, muitos conjuntos de iões de lítio descartados são considerados resíduos perigosos, por poderem incendiar-se.

“Em comparação com os atuais sistemas de baterias aquosas, o novo sistema oferece uma estabilidade excecional em ciclos de longa duração e respeito pelo ambiente em condições neutras”, escreveu Zhi.

O artigo científico classificou a célula como não tóxica e eliminável ao abrigo de várias normas, incluindo a Resource Conservation and Recovery Act, uma lei norte-americana sobre resíduos perigosos.

Expansão da bateria à base de água

Transformar uma célula de laboratório numa bateria comercial exige concentrar mais energia em menos espaço sem comprometer a segurança.

Elétrodos mais espessos e embalagens mais compactas normalmente aumentam a energia, mas também tornam mais lento o movimento dos iões e retêm calor.

A produção em escala do elétrodo negativo de polímero exigirá estruturas porosas uniformes; caso contrário, o desempenho variará entre lotes.

Estas etapas de ampliação determinarão se a abordagem de sal neutro continuará a ser um nicho ou se chegará ao armazenamento de energia quotidiano.

Utilizações práticas das baterias à base de água

Em muitas aplicações, as baterias deixam de funcionar porque os seus líquidos corroem gradualmente os elétrodos, e não porque a carga inicial é insuficiente.

Ao usar sais neutros e elétrodos orgânicos, a célula da CityUHK reduziu essas reações secundárias e continuou a operar após ciclos incessantes.

Uma maior vida útil poderá reduzir os custos de manutenção e os resíduos, sobretudo em infraestruturas que permanecem no mesmo local durante décadas.

Os conjuntos destinados ao mundo real continuam a necessitar de vedantes, coletores de corrente e sistemas de controlo, pelo que o líquido neutro é apenas uma parte da solução.

Futuro das baterias de sal neutro

A combinação de água salgada neutra, um elétrodo negativo orgânico e um material positivo de azul-da-Prússia tornou a durabilidade na principal característica desta bateria à base de água.

Se os engenheiros conseguirem concentrar mais energia e fabricar os polímeros de forma fiável, esta química poderá reduzir os resíduos normalmente deixados pelas baterias.