Existem mais telefones celulares no mundo do que pessoas. Quase todos eles são alimentados por baterias recarregáveis ​​de íon de lítio, que são o componente mais importante que possibilitou a revolução da eletrônica portátil das últimas décadas. Nenhum desses dispositivos seria atraente para os usuários se eles não tivessem energia suficiente para durar pelo menos várias horas, sem ser particularmente pesado.

As baterias de íon-lítio também são úteis em aplicações maiores, como veículos elétricos e sistemas de armazenamento de energia de rede inteligente. E as inovações dos pesquisadores na ciência dos materiais, buscando melhorar as baterias de íon-lítio, estão abrindo caminho para ainda mais baterias com desempenho ainda melhor. Já existe uma demanda formando por baterias de alta capacidade que não pegem fogo ou explodam. E muitas pessoas já sonharam com menores, baterias mais leves que carregam em minutos - ou mesmo segundos - mas armazenam energia suficiente para alimentar um dispositivo por dias.

Pesquisadores como eu, no entanto, estão pensando ainda mais aventureiros. Carros e sistemas de armazenamento em grade seriam ainda melhores se pudessem ser descarregados e recarregados dezenas de milhares de vezes ao longo de muitos anos, ou mesmo décadas. As equipes de manutenção e os clientes adorariam baterias que pudessem monitorar a si mesmas e enviar alertas caso estivessem danificadas ou não funcionassem mais com desempenho máximo - ou até mesmo fossem capazes de se consertar. E não pode ser muito sonhar com baterias de dupla finalidade integradas na estrutura de um item, ajudando a moldar a forma de um smartphone, carro ou edifício ao mesmo tempo em que alimenta suas funções.

Tudo isso pode se tornar possível à medida que minha pesquisa e a de outros ajudem cientistas e engenheiros a se tornarem cada vez mais hábeis em controlar e lidar com a matéria na escala de átomos individuais.

Materiais emergentes

Em geral, os avanços no armazenamento de energia contarão com o desenvolvimento contínuo da ciência dos materiais, empurrando os limites de desempenho dos materiais de bateria existentes e desenvolvendo estruturas e composições de bateria inteiramente novas.

A indústria de baterias já está trabalhando para reduzir o custo das baterias de íon-lítio, incluindo a remoção de cobalto caro de seus eletrodos positivos, chamados cátodos. Isso também reduziria o custo humano dessas baterias, porque muitas minas no Congo, a principal fonte mundial de cobalto, usar crianças para fazer trabalhos manuais difíceis.

Os pesquisadores estão encontrando maneiras de substituir os materiais que contêm cobalto por cátodos feitos principalmente de níquel. Eventualmente, eles podem substituir o níquel por manganês. Cada um desses metais é mais barato, mais abundante e seguro para trabalhar do que seu antecessor. Mas eles vêm com uma compensação, porque eles têm propriedades químicas que encurtam a vida útil de suas baterias.

Os pesquisadores também estão procurando substituir os íons de lítio que passam entre os dois eletrodos por íons e eletrólitos que podem ser mais baratos e potencialmente mais seguros, como aqueles baseados em sódio, magnésio, zinco ou alumínio.

Meu grupo de pesquisa analisa as possibilidades de uso de materiais bidimensionais, essencialmente folhas extremamente finas de substâncias com propriedades eletrônicas úteis. O grafeno é talvez o mais conhecido deles - uma folha de carbono com apenas um átomo de espessura. Queremos ver se o empilhamento de camadas de vários materiais bidimensionais e, em seguida, a infiltração na pilha de água ou outros líquidos condutores podem ser componentes-chave de baterias que recarregam muito rapidamente.

Olhando dentro da bateria

Não são apenas novos materiais que expandem o mundo da inovação em baterias:novos equipamentos e métodos também permitem que os pesquisadores vejam o que está acontecendo dentro das baterias com muito mais facilidade do que antes.

No passado, pesquisadores executaram uma bateria por meio de um determinado processo de carga-descarga ou número de ciclos, e então removeu o material da bateria e o examinou após o fato. Só então os estudiosos poderiam descobrir quais mudanças químicas aconteceram durante o processo e inferir como a bateria realmente funcionava e o que afetou seu desempenho.

Mas agora, os pesquisadores podem observar os materiais da bateria à medida que passam pelo processo de armazenamento de energia, analisando até mesmo sua estrutura atômica e composição em tempo real. Podemos usar técnicas sofisticadas de espectroscopia, como as técnicas de raios-X disponíveis com um tipo de acelerador de partículas chamado síncrotron - bem como microscópios eletrônicos e sondas de varredura - para observar o movimento dos íons e as mudanças nas estruturas físicas à medida que a energia é armazenada e liberada dos materiais de uma bateria.

Esses métodos permitem que pesquisadores como eu imaginem novas estruturas e materiais de bateria, faça-os e veja se funcionam bem ou não. Dessa maneira, seremos capazes de manter a revolução dos materiais da bateria em andamento.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.