Reimaginar um projeto de bateria esquecido de Thomas Edison

Infelizmente, essa promessa nunca se concretizou. As primeiras baterias de carros eléctricos ainda sofriam de sérias limitações, e os avanços no motor de combustão interna levaram a melhor.

Agora, uma colaboração internacional de investigação, co-liderada pela UCLA, seguiu o exemplo de Edison, desenvolvendo uma tecnologia de baterias de níquel-ferro que pode ser adequada para armazenar energia gerada em parques solares. O protótipo foi capaz de recarregar em apenas alguns segundos, em vez de horas, e atingiu mais de 12.000 ciclos de drenagem e recarga - o equivalente a mais de 30 anos de recargas diárias.

A tecnologia foi construída a partir de minúsculos aglomerados de metal modelados com proteínas que foram depois ligados a um material bidimensional, feito de folhas com apenas um átomo de espessura. Apesar dos ingredientes inovadores, as técnicas são enganadoramente simples e baratas.

"As pessoas pensam muitas vezes que as ferramentas da nanotecnologia moderna são complicadas e de alta tecnologia, mas a nossa abordagem é surpreendentemente simples e direta", disse o coautor do estudo Maher El-Kady, investigador assistente no departamento de química e bioquímica da Faculdade da UCLA. "Estamos apenas a misturar ingredientes comuns, aplicando passos de aquecimento suaves e utilizando matérias-primas que estão amplamente disponíveis".

O estudo foi publicado na revista Small e é apresentado na contracapa.

Baterias que recebem uma ajuda da biologia

O mundo natural forneceu algumas pistas aos investigadores. De particular interesse foi o processo pelo qual os animais formam os ossos e os moluscos formam os seus invólucros exteriores duros. Quer os esqueletos se encontrem no interior ou no exterior, são formados por proteínas que actuam como suportes para a recolha de compostos à base de cálcio.

Os investigadores procuraram imitar este mecanismo para gerar os seus minúsculos aglomerados de níquel ou ferro, de acordo com o coautor da correspondência Ric Kaner, um distinto professor de química e bioquímica no UCLA College e de ciência e engenharia de materiais na UCLA Samueli School of Engineering.

"Inspirámo-nos na forma como a natureza deposita este tipo de materiais", afirmou Kaner, que é também titular da Cátedra Dr. Myung Ki Hong em Inovação de Materiais e membro do California NanoSystems Institute da UCLA. "A colocação de minerais da forma correta constrói ossos que são fortes, mas suficientemente flexíveis para não serem quebradiços. A forma como é feita é quase tão importante como o material utilizado e as proteínas orientam a forma como são colocadas".

No estudo, a equipa utilizou proteínas que são subprodutos da produção de carne de vaca. As moléculas serviram de modelo para o crescimento de aglomerados de níquel para os eléctrodos positivos e de ferro para os eléctrodos negativos. Os cantos e recantos da estrutura dobrada da proteína limitaram o tamanho dos aglomerados metálicos a menos de 5 nanómetros. Este tamanho é tão pequeno que seriam necessários cerca de 10.000 a 20.000 aglomerados para corresponder à largura de um cabelo humano. Os investigadores detectaram mesmo átomos únicos de ferro e níquel nos seus eléctrodos.

As proteínas foram combinadas com óxido de grafeno, um material 2D ultrafino que se apresenta em folhas com a espessura de um único átomo, constituído por carbono decorado com átomos de oxigénio. Embora o oxigénio possa criar obstruções que fazem com que o material se comporte mais como um isolante, o processo que se seguiu mudou tudo.

Os ingredientes foram sobreaquecidos em água e depois cozidos a alta temperatura, fazendo com que as proteínas se carbonizassem em carbono, removendo o oxigénio do material 2D e incorporando os minúsculos aglomerados de metal guiados pelas proteínas. A estrutura resultante foi um aerogel, composto por quase 99% de ar em volume.

A área de superfície como superpotência

Parte do molho secreto da tecnologia é a área de superfície - quanto mais exposta, mais espaço para as reacções subjacentes à química da bateria.

O aerogel de grafeno era muito fino e tinha um excesso de espaço vazio. E a pequenez dos nanoclusters metálicos tira partido de um princípio matemático fundamental: à medida que os objectos se tornam mais pequenos, o tamanho da superfície exterior exposta aumenta muito mais do que o volume.

"À medida que passamos de partículas maiores para estes nanoclusters extremamente pequenos, a área de superfície aumenta drasticamente", disse El-Kady. "Esta é uma enorme vantagem para as baterias. Quando as partículas são tão pequenas, quase todos os átomos podem participar na reação. Assim, a carga e a descarga ocorrem muito mais rapidamente, é possível armazenar mais carga e toda a bateria funciona de forma mais eficiente."

Perspectivas para o futuro e próximos passos

Apesar das suas vantagens em termos de velocidade de carregamento e durabilidade, esta iteração da tecnologia não corresponde às capacidades de armazenamento das actuais baterias de iões de lítio. Com a autonomia em alta no mercado dos carros eléctricos, os investigadores pensam que esta bateria do futuro, inspirada em Edison, poderá um dia encontrar aplicação noutras áreas.

Por exemplo, o carregamento rápido, o elevado rendimento e a resistência robusta da tecnologia sugerem uma boa opção para armazenar o excesso de eletricidade gerada em parques solares durante o dia, para alimentar a rede durante a noite. Pode também ser útil para energia de reserva em centros de dados.

"Dado que esta tecnologia pode prolongar o tempo de vida das baterias para décadas e décadas, poderá ser ideal para armazenar energia renovável ou para assumir rapidamente o controlo em caso de falta de energia", afirmou El-Kady. "Isto eliminaria as preocupações com a alteração do custo das infra-estruturas".

Os investigadores estão a explorar a utilização da sua técnica de fabrico de nanoclusters com outros metais. Estão também a estudar possíveis substitutos para as proteínas bovinas, tais como polímeros naturais que são mais abundantes e, por conseguinte, menos dispendiosos e mais fáceis de aumentar para o fabrico futuro.