Como um truque de física com 270 anos pode impulsionar a tecnologia de baterias económicas
Os investigadores fundem a física histórica com a moderna engenharia de materiais para criar baterias de sódio duradouras
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Há cerca de 270 anos, o Dr. Johann Gottlob Leidenfrost, da Alemanha, observou um comportamento peculiar de gotículas de água em superfícies metálicas aquecidas. No seu manuscrito, "A Tract About Some Qualities of Common Water", descreveu como a água patinava sobre superfícies metálicas sobreaquecidas como se a fricção tivesse deixado de existir. Este fenómeno ocorre quando a água ou qualquer líquido forma uma almofada de vapor em superfícies muito acima do seu ponto de ebulição, permitindo-lhes deslizar sem serem tocados.
Síntese assistida por Leidenfrost de um material catódico de baixo custo e escalável para baterias de iões de sódio.
Clean Energy Research Group at the Indian Institute of Science Education and Research (IISER) Bhopal, India
Este fenómeno, conhecido como efeito Leidenfrost, é a razão pela qual as panelas de aço inoxidável se tornam subitamente antiaderentes quando aquecidas a altas temperaturas. Mas como é que uma observação com 270 anos pode ter alguma influência na conceção de sistemas sustentáveis de armazenamento de energia? Num estudo recentemente publicado na revista Small, uma equipa de investigadores do Instituto Indiano de Educação e Investigação Científica (IISER) de Bhopal, do Instituto Indiano de Tecnologia de Gandhinagar (IITGN), da Universidade de Swansea e da Universidade do Sul de Queensland explorou a forma como este efeito físico invulgar pode ajudar a criar baterias mais estáveis e duradouras e surgir como uma alternativa prática à tecnologia de iões de lítio (Li-ion).
À medida que o mundo se orienta para as energias renováveis, a procura de melhores baterias nunca foi tão grande. "As baterias de iões de lítio alimentam atualmente tudo, desde os nossos smartphones aos carros eléctricos", afirmou o Dr. Rohit Ranganathan Gaddam. É autor sénior do estudo e professor assistente no IISER Bhopal, onde lidera o Grupo de Investigação em Energia Limpa e se concentra em ultrapassar os estrangulamentos dos actuais sistemas de armazenamento de energia. "No entanto, o lítio é relativamente raro e de extração dispendiosa, o que torna necessária uma alternativa mais ecológica e rentável".
Há muito que o sódio é apontado como um potencial substituto do lítio. Um elemento omnipresente na água do mar, no sal e até na corrente sanguínea, o sódio é barato e fácil de obter. Isto faz das baterias de iões de sódio um forte candidato para o armazenamento de energia em grande escala, especialmente para as energias renováveis. Mas o volume dos iões de sódio representa um obstáculo significativo. Os iões mais pesados acabam por sufocar e desgastar o cátodo, o terminal positivo de uma bateria que actua como o seu cofre de energia. Para que uma bateria de sódio funcione bem, o material utilizado no cátodo deve permitir que os iões de sódio se movam rápida e repetidamente sem danificar a sua estrutura. Existem muitos materiais promissores, mas muitas vezes falta-lhes velocidade, estabilidade ou durabilidade a longo prazo.
"Decidimos construir a infraestrutura certa para o cátodo, uma autoestrada atómica, para que os iões de sódio pudessem passar!", acrescentou Subhajit Singha, primeiro autor e bolseiro de doutoramento no IISER Bhopal. A equipa utilizou o Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇), uma mistura de fosfato e pirofosfato à base de ferro que forma naturalmente uma estrutura 3D estável semelhante a um túnel. Conhecendo a condutividade e as desvantagens energéticas dos materiais catódicos puramente à base de ferro, os investigadores fizeram experiências adicionando uma pequena fração de índio à mistura.
Observou-se que, ao substituir apenas 1% dos átomos de ferro por índio, o espaçamento atómico no interior do potencial material catódico aumentou, sem alterar a sua estrutura fundamental. Isto permitiu que os iões de sódio passassem mais facilmente e melhorou a condutividade eletrónica do material do cátodo, uma caraterística das baterias de alto desempenho.
Para além dos ajustes à receita do material catódico, a equipa também introduziu novidades no seu processo de fabrico. "Aproveitámos os princípios básicos do efeito Leidenfrost para construir materiais catódicos que duram mais tempo e ultrapassam os padrões atualmente existentes no mercado", afirmou o Dr. Gaddam. Pulverizaram a mistura química sobre uma superfície metálica suficientemente quente para desencadear o efeito Leidenfrost. Quando as gotículas atingiram a placa em chamas, sofreram uma evaporação rápida, fundiram-se em partículas porosas e foram transformadas em pó. Este método rápido e ecológico evita a utilização de fornos que consomem muita energia, produzindo grãos semelhantes a esponjas que absorvem o fluido eletrolítico para uma viagem mais suave do sódio.
Medições avançadas e simulações computacionais forneceram informações sobre a reestruturação a nível atómico. Os resultados evidenciaram a forma como o índio reorganiza subtilmente a estrutura atómica, alargando as vias dos iões, reduzindo as barreiras energéticas, melhorando a condutividade e mantendo intacta a estrutura cristalina do potencial material catódico ao longo de milhares de ciclos.
"O material catódico optimizado demonstrou uma elevada densidade de energia de ~359 Wh kg-1 e uma durabilidade notável com um desempenho estável ao longo de 10.000 ciclos de carga-descarga", afirmou o Dr. Raghavan Ranganathan, coautor e Professor Associado do Departamento de Engenharia de Materiais do IITGN. A título de comparação, a maioria das baterias de telemóveis ou computadores portáteis duram apenas algumas centenas de ciclos. Isto torna o material catódico gerado ideal para o armazenamento de energia renovável em sistemas que exigem um desempenho duradouro.
Para a Índia, que pretende atingir 500 GW de energias renováveis até 2030, uma versão ampliada e testada industrialmente das baterias de iões de sódio com o novo cátodo poderá significar um armazenamento na rede a preços acessíveis para aproveitar a energia solar e eólica sem apagões. "O nosso estudo mostra que a modificação estratégica ao nível atómico, combinada com uma rota de síntese simples e escalável, pode desbloquear um desempenho que anteriormente estava fora do alcance dos cátodos das baterias de iões de sódio", afirmou o Dr. Gaddam.
Alinhado com as missões nacionais no domínio da energia e com os Objectivos de Desenvolvimento Sustentável das Nações Unidas 7 (energia limpa a preços acessíveis) e 11 (ação climática), o estudo constitui um passo no sentido de reduzir a dependência do lítio, facilitando cadeias de abastecimento mais justas e permitindo o armazenamento de energia verde a preços acessíveis. "Esta fusão de conhecimentos experimentais e computacionais entre instituições e continentes prova que peculiaridades históricas como o gelo de Leiden podem desencadear pólos modernos de inovação sustentável!", observou o Dr. Ranganathan.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Subhajit Singha, Yuvraj Soni, Sharad Dnyanu Pinjari, Tasdique Arman, Rui Tan, Raghavan Ranganathan, Ashok Kumar Nanjundan, Rohit Ranganathan Gaddam; "Leidenfrost‐Assisted Synthesis of Indium‐Substituted Mixed Phosphate Cathodes with Superior Cycling Stability and Enhanced Sodium Storage Kinetics"; Small, 2026-2-4
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