A era do smartphone tem apenas pouco mais de uma década, mas os computadores de bolso no centro dessa transformação social só são realmente possíveis por causa de outra tecnologia:baterias de íon de lítio.

Vendido pela primeira vez comercialmente em 1991 pela Sony para suas filmadoras, esses tipos de baterias são bons para muito mais do que aparelhos eletrônicos portáteis. Eles estão no centro de duas outras revoluções tecnológicas com o poder de transformar a sociedade:a transição dos motores de combustão interna para os veículos elétricos, e a mudança de uma rede elétrica alimentada por combustíveis fósseis para geradores de energia renovável que armazenam o excedente de eletricidade em baterias para uso futuro.

Então, como essas baterias funcionam? Cientistas e engenheiros passaram carreiras inteiras tentando construir baterias melhores e ainda existem mistérios que não entendemos totalmente. Melhorar as baterias requer que químicos e físicos observem as mudanças no nível atômico, bem como engenheiros mecânicos e elétricos que podem projetar e montar as baterias que alimentam os dispositivos. Como cientista de materiais na Universidade de Washington e no Pacific Northwest National Lab, meu trabalho ajudou a explorar novos materiais para baterias de lítio-ar, baterias de magnésio e, claro, baterias de íons de lítio.

Vamos considerar um dia na vida de dois elétrons. Vamos chamar um deles de Alex e ele tem um amigo chamado George.

Anatomia da bateria

Alex vive dentro de uma bateria AA alcalina padrão, como em sua lanterna ou controle remoto. Dentro de uma bateria AA, há um compartimento preenchido com zinco e outro preenchido com óxido de manganês. Numa extremidade, o zinco se fixa apenas fracamente nos elétrons, como Alex. Na outra extremidade, o óxido de manganês puxa poderosamente os elétrons em sua direção. Entre, impedindo os elétrons de irem diretamente de um lado para o outro, é um pedaço de papel embebido em uma solução de potássio e água, que coexistem como íons de potássio positivos e íons de hidróxido negativos.

Quando a bateria é colocada em um dispositivo e ligada, o circuito interno do dispositivo está concluído. Alex é puxado para fora do zinco, através do circuito e no óxido de manganês. Pelo caminho, seu movimento alimenta o dispositivo, ou lâmpada ou o que quer que esteja conectado à bateria. Quando Alex sai, ele não pode voltar:o zinco que perdeu um elétron se liga ao hidróxido para formar o óxido de zinco. Este composto é extremamente estável e não pode ser facilmente convertido de volta em zinco.

Do outro lado da bateria, o óxido de manganês ganha um átomo de oxigênio da água e deixa íons de hidróxido para trás para equilibrar o hidróxido sendo consumido pelo zinco. Uma vez que todos os vizinhos de Alex deixaram o zinco e mudaram para o óxido de manganês, a bateria está descarregada e precisa ser reciclada.

Vantagens de íon-lítio

Vamos comparar isso com George, que vive em uma bateria de íon de lítio. As baterias de íon-lítio têm os mesmos blocos de construção básicos que as células AA alcalinas, com algumas diferenças que conferem grandes vantagens.

George vive na grafite, que é ainda mais fraco do que o zinco na retenção de elétrons. E a outra parte de sua bateria é óxido de lítio-cobalto, que puxa elétrons com muito mais força do que o óxido de manganês - o que dá à bateria a capacidade de armazenar muito mais energia na mesma quantidade de espaço do que uma bateria alcalina. A solução que separa a grafite e o óxido de lítio-cobalto contém íons de lítio carregados positivamente, que se formam e quebram facilmente as ligações químicas à medida que a bateria é descarregada e recarregada.

Essas reações químicas são reversíveis, ao contrário da formação de óxido de zinco, que é o que permite que os elétrons e os íons de lítio fluam para frente e para trás ao longo de muitos ciclos de carga e descarga.

Este processo não é 100% eficiente, entretanto - todas as baterias eventualmente perdem sua capacidade de reter energia. No entanto, a família de produtos químicos de íons de lítio foi poderosa o suficiente para dominar a tecnologia de baterias hoje.

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