Bateria à base de água com sal neutro chega a 120.000 ciclos na CityUHK

Uma bateria à base de água conseguiu resistir a 120.000 ciclos de carga enquanto operava numa solução salina neutra, parecida com a encontrada na salmoura usada na produção de tofu.

Esse nível de estabilidade muda o que se entende por vida útil de uma bateria recarregável e também por quão segura pode ser a sua destinação após décadas de serviço.

Vantagens de uma química neutra

Em ciclos repetidos no laboratório, o protótipo continuou a carregar e descarregar usando água comum, sem o tipo de degradação corrosiva que limita muitas células convencionais.

Ao acompanhar essa resistência ao longo do tempo, o Dr. Chunyi Zhi, da City University of Hong Kong (CityUHK), associou diretamente o tempo de vida recorde da bateria de água à sua química neutra e não corrosiva.

Mesmo sob ciclagem intensa, os eletrodos preservaram a estrutura e o desempenho, em vez de se desgastarem por stress químico.

Essa durabilidade sustenta a principal afirmação do estudo, mas ainda deixa em aberto como esse sistema neutro consegue combinar estabilidade com potência utilizável.

Minerais vindos do tofu

Na fabricação de tofu, a salmoura carrega coagulantes minerais - como cloreto de magnésio e sulfato de cálcio - que transformam o “leite” de soja em coalhada.

Neste trabalho, esses sais foram usados como eletrólito, o líquido responsável por transportar carga elétrica entre os eletrodos.

Ao manter a mistura em 7,0 na escala de acidez, o meio permaneceu neutro, e o líquido seguiu não corrosivo.

Essa química mais “calma” reduziu o desgaste interno, mas também obrigou a equipa a repensar o desenho do eletrodo negativo.

Novo desenho do eletrodo negativo

Em vez de recorrer a um eletrodo negativo metálico, o grupo construiu essa parte com um polímero orgânico covalente: uma rede de carbono formada por moléculas interligadas.

Os canais porosos desse material criaram espaços para acomodar íons, permitindo armazenar carga sem formar depósitos metálicos.

Depois de comparar três versões, foi escolhido um material chamado Hex TADD, um polímero orgânico covalente montado a partir de unidades interligadas à base de carbono. Essa substância possui ligações doadoras de elétrons, o que facilita o deslocamento de elétrons pela estrutura.

Ainda assim, mesmo um polímero negativo robusto precisa de um eletrodo positivo compatível, capaz de trocar íons sem perder a própria integridade.

Parceiro de azul da Prússia

No polo positivo, a célula utilizou um análogo ao azul da Prússia, um cristal que permite a entrada e saída de íons.

A sua estrutura aberta reteve carga ao alterar o estado do metal dentro da rede cristalina, revertendo essa alteração durante a recarga.

Conhecido como pigmento azul em tintas, o material manteve estabilidade em água enquanto lidava com trocas repetidas de íons.

Com esse eletrodo positivo, a célula completa atingiu uma tensão de 2,2 volts, embora a água ainda imponha limites para tensões mais elevadas.

Teste de vida útil da bateria

Em ensaios de stress, a bateria à base de água permaneceu estável por 120.000 ciclos de carga, bem acima do que muitas células de laboratório costumam alcançar.

Em cada ciclo, íons são forçados a entrar e sair dos eletrodos; por isso, ligações fracas tenderiam a falhar logo no início. Em teoria, se fosse carregado uma vez por dia, um conjunto do tamanho de uma bateria de telemóvel construído dessa forma poderia durar por mais de 300 anos.

Esse tipo de longevidade tem mais valor em cenários em que trocar baterias é difícil, como sensores remotos ou armários de armazenamento ligados à rede elétrica.

Capacidade de energia da bateria

Além da longevidade, o dispositivo armazenou cerca de 3.200 miliampère-hora por onça de material ativo (oz), o que corresponde a 112,8 mAh por grama.

Essa carga resultou do movimento de íons para dentro da estrutura polimérica e do retorno desses íons quando o circuito era invertido.

No nível da célula completa, a energia específica - energia armazenada por unidade de massa - chegou a perto de 22 watt-hora por libra (ou 48,3 Wh por quilograma).

Ainda assim, baterias aquosas normalmente ficam atrás de packs de lítio em energia compacta, o que tende a restringi-las a instalações maiores e mais pesadas.

Descarte de resíduos de bateria

Os argumentos de segurança basearam-se numa química que não era fortemente ácida nem fortemente alcalina, de modo que eventuais vazamentos se assemelhariam simplesmente a água salgada.

Na visão da Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA), muitos packs de íon-lítio descartados são classificados como resíduos perigosos, porque podem incendiar.

“Compared to current aqueous battery systems, the new system offers exceptional long-term cycling stability and respect for the environment under neutral conditions,” escreveu Zhi.

O artigo também descreveu a célula como não tóxica e descartável segundo vários referenciais, incluindo a Lei de Conservação e Recuperação de Recursos (RCRA), legislação dos EUA sobre resíduos perigosos.

Escalonamento da bateria à base de água

Transformar uma célula de laboratório numa bateria comercial exige concentrar mais energia em menos espaço sem abrir mão da segurança.

Eletrodos mais espessos e embalagens mais compactas costumam aumentar a energia, mas também podem reduzir a velocidade de movimento dos íons e reter calor.

Para escalar a produção do eletrodo negativo polimérico, será necessário manter estruturas de poros consistentes; caso contrário, o desempenho pode variar entre lotes.

Esses passos de escalonamento vão determinar se a abordagem de sal neutro continuará de nicho ou se avançará para o armazenamento de energia do dia a dia.

Usos práticos para baterias aquosas

Em muitas aplicações, as baterias deixam de funcionar porque os líquidos, aos poucos, “corroem” os eletrodos - não porque a carga inicial seja fraca.

Ao usar sais neutros e eletrodos orgânicos, as reações paralelas foram reduzidas, e a célula da CityUHK continuou operando após ciclagem intensa.

Uma vida útil mais longa pode diminuir custos de manutenção e reduzir resíduos, especialmente em infraestruturas que permanecem instaladas por décadas.

Ainda assim, packs do mundo real precisam de vedações, coletores de corrente e sistemas de controlo; portanto, o líquido neutro é apenas uma parte da história.

Futuro das baterias de sal neutro

Água salgada neutra, um eletrodo negativo orgânico e um material positivo de azul da Prússia foram combinados para colocar a durabilidade como o principal destaque desta bateria à base de água.

Se engenheiros conseguirem aumentar a energia armazenada e produzir os polímeros com confiabilidade, essa química pode reduzir o impacto que as baterias geralmente deixam para trás.