O desafio de construir um futuro energético que preserve e melhore o planeta é uma tarefa gigantesca. Mas tudo depende das partículas carregadas que se movem através de materiais invisivelmente pequenos.

Cientistas e políticos reconheceram a necessidade de uma mudança urgente e substancial nos mecanismos mundiais de produção e consumo de energia, a fim de conter seu ímpeto em direção ao cataclismo ambiental. Uma correção de curso desta magnitude é certamente assustadora, mas um novo relatório no jornal Ciência sugere que o caminho tecnológico para alcançar a sustentabilidade já foi pavimentado, é apenas uma questão de escolher segui-lo.

O relatório, de autoria de uma equipe internacional de pesquisadores, expõe como as pesquisas na área de nanomateriais para armazenamento de energia nas últimas duas décadas possibilitaram o grande passo que será necessário para o aproveitamento de fontes de energia sustentáveis.

"A maioria dos maiores problemas enfrentados pelo impulso para a sustentabilidade pode estar ligada à necessidade de melhor armazenamento de energia, "disse Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University e Bach professor da Drexel University's College of Engineering e principal autor do artigo. "Quer se trate de um uso mais amplo de fontes de energia renováveis, estabilizar a rede elétrica, Gerenciar as demandas de energia de nossa onipresente tecnologia inteligente e conectada ou fazer a transição de nosso transporte em direção à eletricidade - a questão que enfrentamos é como melhorar a tecnologia de armazenamento e distribuição de energia. Após décadas de pesquisa e desenvolvimento, a resposta a essa pergunta pode ser dada por nanomateriais. "

Os autores apresentam uma análise abrangente sobre o estado da pesquisa de armazenamento de energia envolvendo nanomateriais e sugerem a direção que a pesquisa e o desenvolvimento devem tomar para que a tecnologia atinja a viabilidade do mainstream.

A geléia

Quase todos os planos de sustentabilidade energética - do Green New Deal ao Acordo de Paris, às várias políticas regionais de emissões de carbono - afirmam a necessidade de controlar o consumo de energia ao mesmo tempo em que aproveita novas fontes renováveis, como energia solar e eólica. O gargalo de ambos os esforços é a necessidade de uma melhor tecnologia de armazenamento de energia.

O problema com a integração de recursos renováveis ​​em nossa rede de energia é que é difícil gerenciar o fornecimento e a demanda de energia devido à natureza imprevisível da ... natureza. Então, dispositivos de armazenamento massivo de energia são necessários para acomodar toda a energia gerada quando o sol está brilhando e o vento está soprando e, então, ser capazes de liberá-la rapidamente durante os períodos de alto uso de energia.

"Quanto melhores nos tornamos na colheita e armazenamento de energia, mais seremos capazes de usar fontes de energia renováveis ​​que são intermitentes por natureza, "Gogotsi disse." As baterias são como o silo do fazendeiro - se não for grande o suficiente e construído de forma a preservar as plantações, então pode ser difícil atravessar um longo inverno. No setor de energia agora, você pode dizer que ainda estamos tentando construir o silo certo para nossa colheita - e é aí que os nanomateriais podem ajudar. "

O conserto

Desfazer o impasse de armazenamento de energia tem sido uma meta combinada para cientistas que aplicam princípios de engenharia para criar e manipular materiais em nível atômico. Seus esforços apenas na última década, que foram destacados no relatório, já melhoraram as baterias que alimentam smartphones, laptops e carros elétricos.

"Muitas de nossas maiores conquistas em armazenamento de energia nos últimos anos são graças à integração de nanomateriais, "Gogotsi disse." Baterias de íon-lítio já usam nanotubos de carbono como aditivos condutores em eletrodos de bateria para fazê-los carregar mais rápido e durar mais. E um número crescente de baterias usa partículas de nano-silício em seus ânodos para aumentar a quantidade de energia armazenada.

A introdução de nanomateriais é um processo gradual e veremos mais e mais materiais em nanoescala dentro das baterias no futuro. "

Projeto da bateria, por muito tempo, baseou-se principalmente em encontrar materiais de energia cada vez melhores e combiná-los para armazenar mais elétrons. Mas, mais recentemente, desenvolvimentos tecnológicos permitiram aos cientistas projetar os materiais dos dispositivos de armazenamento de energia para melhor servir a essas funções de transmissão e armazenamento.

Este processo, chamado de nanoestruturação, introduz partículas, tubos, flocos e pilhas de materiais em nanoescala como os novos componentes das baterias, capacitores e supercapacitores. Sua forma e estrutura atômica podem acelerar o fluxo de elétrons - a pulsação da energia elétrica. E sua ampla área de superfície fornece mais locais de descanso para as partículas carregadas.

A eficácia dos nanomateriais permitiu até que os cientistas repensassem o design básico das próprias baterias. Com materiais nanoestruturados metalicamente condutores, garantindo que os elétrons possam fluir livremente durante a carga e a descarga, as baterias podem perder um bom peso e tamanho eliminando coletores de corrente de folha de metal que são necessários em baterias convencionais. Como resultado, sua forma não é mais um fator limitante para os dispositivos que alimentam.

As baterias estão ficando menores, carregando mais rápido, duram mais e se desgastam lentamente, mas também podem ser enormes, carregue progressivamente, armazenar grandes quantidades de energia por longos períodos de tempo e distribuí-la sob demanda.

"É um momento muito emocionante para trabalhar na área de materiais de armazenamento de energia em nanoescala, "disse Ekaterina Pomerantseva, Ph.D., professor associado da Faculdade de Engenharia e co-autor do artigo. "Agora temos mais nanopartículas disponíveis do que nunca - e com diferentes composições, formas e propriedades bem conhecidas. Essas nanopartículas são como blocos de Lego, e eles precisam ser montados de forma inteligente para produzir uma estrutura inovadora com desempenho superior a qualquer dispositivo de armazenamento de energia atual. O que torna esta tarefa ainda mais cativante é o fato de que, ao contrário dos Legos, nem sempre está claro como diferentes nanopartículas podem ser combinadas para criar arquiteturas estáveis. E à medida que essas arquiteturas em nanoescala desejadas se tornam mais e mais avançadas, esta tarefa se torna cada vez mais desafiadora, estimulando o pensamento crítico e a criatividade dos cientistas. "

O futuro

Gogotsi e seus co-autores sugerem que capitalizar a promessa dos nanomateriais exigirá que alguns processos de fabricação sejam atualizados e pesquisas continuadas sobre como garantir a estabilidade dos materiais conforme seu tamanho é aumentado.

"O custo dos nanomateriais em comparação com os materiais convencionais é um grande obstáculo, e técnicas de fabricação de baixo custo e em grande escala são necessárias, "Disse Gogotsi." Mas isso já foi realizado para nanotubos de carbono com fabricação de centenas de toneladas para as necessidades da indústria de baterias na China. O pré-processamento dos nanomateriais desta forma permitiria o uso de equipamentos de fabricação de baterias atuais. "

Eles também observam que o uso de nanomateriais eliminaria a necessidade de certos materiais tóxicos que têm sido os principais componentes das baterias. Mas eles também sugerem o estabelecimento de padrões ambientais para o desenvolvimento futuro de nanomateriais.

"Sempre que os cientistas consideram novos materiais para armazenamento de energia, eles devem sempre levar em consideração a toxicidade para os humanos e o meio ambiente, também em caso de incêndio acidental, incineração ou despejo no lixo, "Disse Gogotsi.

O que tudo isso significa, de acordo com os autores, é que a nanotecnologia está tornando o armazenamento de energia versátil o suficiente para evoluir com a mudança na fonte de energia que as políticas futuras exigem.