Os pesquisadores de Cambridge estão trabalhando para resolver um dos maiores quebra-cabeças da tecnologia:como construir baterias de próxima geração que poderiam alimentar uma revolução verde.

Como muitos de nós, quando acordo, pego o telefone na mesinha de cabeceira e começo a navegar no Twitter, Instagram, e-mail e aplicativos de notícias. Eu ouço música em streaming enquanto me preparo para o trabalho e podcasts durante meu trajeto. Quando chego ao escritório, meu telefone já precisa de um reforço. Não é nem 9h.

É um milagre moderno termos computadores em nossos bolsos mais poderosos do que aqueles que suportavam o pouso na lua. Mas, apesar do fato de que os transistores dentro de nossos telefones e laptops estão ficando menores e mais rápidos a cada ano, as baterias que os alimentam, não.

A chave para tornar os eletrônicos portáteis - e impulsionar uma mudança radical na forma como nos comunicamos e consumimos informações - foi a comercialização de baterias de íon de lítio pela Sony em 1991. As baterias de íon de lítio são recarregáveis, portanto, quando o dispositivo é conectado a um carregador, ele restaura a bateria para outro uso.

Embora as baterias de íon-lítio tenham vantagens inegáveis, como densidades de energia relativamente altas e longa vida útil em comparação com outras baterias e meios de armazenamento de energia, eles também podem superaquecer ou até explodir e são relativamente caros de produzir. Adicionalmente, sua densidade de energia está longe da do petróleo. Isso os torna inadequados para uso generalizado em duas tecnologias limpas importantes:carros elétricos e armazenamento em escala de rede para energia solar. Uma bateria melhor pode fazer toda a diferença. Então, o que está impedindo o progresso?

A professora Clare Gray é uma das principais pesquisadoras de baterias do Reino Unido e dirige um grande grupo de pesquisa no Departamento de Química de Cambridge. Usando métodos como espectroscopia de NMR, seu grupo estuda materiais que podem ser usados ​​em baterias de última geração, células de combustível e supercapacitores.

Uma bateria melhor é aquela que pode armazenar muito mais energia ou uma que pode carregar muito mais rápido - de preferência, ambas. O grupo de Grey está desenvolvendo uma gama de diferentes baterias de próxima geração, incluindo baterias de lítio-ar (que usam oxidação de lítio e redução de oxigênio para induzir uma corrente), baterias de sódio, baterias de magnésio e baterias de fluxo redox.

Uma bateria de lítio-ar funcionando, por exemplo, teria uma densidade de energia teórica dez vezes maior do que uma bateria de íons de lítio, dando-lhe aplicações potenciais em eletrônicos portáteis, transporte e armazenamento da grade. Contudo, embora esta alta densidade de energia seja comparável à da gasolina, a densidade de energia prática alcançável é visivelmente mais baixa e desafios significativos de pesquisa ainda precisam ser enfrentados.

Enquanto Gray trabalha com parceiros industriais para melhorar as baterias usadas em carros elétricos hoje, ela diz que o papel das universidades é pensar em tipos inteiramente novos de baterias, como os que ela está desenvolvendo em seu laboratório.

"As universidades precisam de respostas para daqui a dez a 15 anos - nós somos os que estão em melhor posição para inovar, pense criativamente e gere radicais, novas soluções, "ela diz." Queremos ter certeza de que nosso trabalho tenha um impacto muito além das baterias de hoje. "

Além de desenvolver tipos totalmente novos de baterias, uma das principais vertentes da pesquisa de Grey é a detecção de falhas. Como parte de sua cátedra financiada pela Royal Society, Gray está tentando encontrar maneiras de localizar falhas nas baterias antes que elas aconteçam.

"Podemos detectar indicadores de falhas nas baterias antes que elas dêem errado? Se pudermos localizá-los, então, poderíamos potencialmente evitar que as baterias explodissem. Além disso, queremos explorar se uma bateria de carro que chegou ao fim de sua vida útil poderia ter uma segunda vida na rede, por exemplo. Se pudéssemos trabalhar, em tempo real, o que faz com que a bateria se degrade, poderíamos mudar a forma como usamos a bateria, garantindo que dure mais, "ela diz." Quanto mais sabemos sobre o estado de saúde de uma bateria, mais valiosa essa bateria se torna. Ambas as estratégias - aumentar a vida útil da bateria e encontrar um segundo uso - levam a baterias mais baratas. "

Gray também está fortemente envolvido com a Instituição Faraday, o instituto nacional independente de pesquisa de baterias do Reino Unido, financiado pelo governo através de sua Estratégia Industrial. Ela está liderando um dos quatro projetos de 'início rápido', com nove outras universidades e dez parceiros da indústria, para examinar como o estresse da bateria interna e ambiental (como altas temperaturas, taxas de carga e descarga) danificam as baterias de carros elétricos ao longo do tempo.

"Quando você pensa em outros dispositivos eletrônicos, você geralmente só pensa em um material, que é o silício, "diz o Dr. Siân Dutton do Laboratório Cavendish de Cambridge no Departamento de Física, e que também está trabalhando no projeto da Instituição Faraday. "Mas as baterias são muito mais complexas porque você tem vários materiais para trabalhar, além de toda a embalagem, e você tem que pensar sobre como todos esses componentes interagem entre si e com qualquer dispositivo em que você está colocando a bateria. "

Entre outros projetos, O grupo de pesquisa de Dutton está investigando a possibilidade de um eletrólito de bateria que seja sólido em vez de líquido. Uma das principais preocupações de segurança com baterias de íon-lítio é a formação de dendritos - fibras de metal finas que causam um curto-circuito na bateria, potencialmente fazendo com que a bateria pegue fogo ou mesmo exploda.

"Se o eletrólito for sólido, Contudo, você ainda pode ter dendritos, mas as baterias são muito menos propensas a explodir, "ela diz." É importante para as universidades olharem para materiais de bateria não convencionais como os que estamos investigando. Se todos se moverem na mesma direção, não teremos a mudança real de que precisamos. "

A perspectiva de um carro elétrico com alcance 1, 000 milhas, ou um iPhone que carrega em dois minutos, ou ser capaz de usar a energia solar armazenada após o pôr do sol, podem estar todos daqui a alguns anos. Mas, diz Gray:"Se levarmos a sério a mudança para uma economia de baixo carbono, precisamos pensar em como resolver esses problemas agora. Continuamos a promover novos materiais e novos métodos porque, sem eles, campos de pesquisa estagnam. "