Os sistemas de armazenamento de carga que alimentam os aparelhos presentes no dia a dia de bilhões de pessoas têm sido objeto constante de estudos. Desenvolver ou melhorar os modelos de baterias de celulares, computadores e carros elétricos, por exemplo, é um processo ainda relativamente recente, mas de imenso impacto para a economia mundial e para a sociedade moderna.
Agora, um estudo de pesquisadores da Universidade Politécnica de Valência, na Espanha, em parceria com a Universidade de Sharjah, nos Emirados Árabes Unidos, publicado em outubro pela revista científica Advanced Materials, descobriu como otimizar os sistemas usados hoje em dia em celulares, computadores e carros elétricos, por exemplo. A pesquisa chegou a uma técnica que pode acelerar o carregamento das baterias, aumentar a quantidade de energia que elas guardam e prolongar a vida útil desses materiais.
O ponto de partida dos cientistas foi entender profundamente como ocorre o transporte de cargas dentro das baterias. Ou seja, como a energia armazenada, após um período na tomada, circula nos eletrodos da bateria e é transmitida para o aparelho eletrônico.
Professor da Universidade de Sharjah e um dos autores do estudo, Anis Allagui explica que o foco foram os condutores mistos iônicos-eletrônicos (MIECs, na sigla em inglês), responsáveis pela condução elétrica interna nas pilhas. “Os insights obtidos aqui têm implicações significativas para o desenvolvimento de eletrodos e condutores desse tipo melhores para dispositivos muito avançados tecnologicamente.”
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MIECs
As baterias usadas em aparelhos comuns, como tablets, celulares ou computadores, atualmente são feitas do metal lítio. Ele é aplicado em sua forma iônica, que em química quer dizer carregado eletricamente, com possibilidade de passar ou de receber corrente elétrica — o que, no caso das pilhas, é a própria energia que serve aos aparelhos, o que se conhece como “carga” do equipamento.
Para que a transmissão de carga do lítio para os dispositivos ocorra, é preciso que haja contato com algum material condutor. Nas baterias comerciais modernas, a condução se dá por filetes de metal, placas que existem dentro de cada peça e que fazem esse processo. Como também têm estrutura iônica, esses condutores são chamados ‘mistos iônicos-eletrônicos’, daí a sigla MIEC, em inglês.
No estudo, foram analisadas propriedades químicas desses materiais e como acontece a transmissão de carga no meio deles. Os testes se basearam em teorias eletroquímicas avançadas, como a da difusão fracionada e a dos princípios da impedância, que é a capacidade que um material tem de reter a energia que passa por ele, ou seja, resistir à corrente. Há nesse processo, porém, inevitavelmente um pequeno desperdício de eletricidade.
Com a medição da impedância, os cientistas chegaram a padrões de maior rendimento das baterias, já que condutores MIECs com impedâncias menores aproveitam uma quantidade de carga maior. A principal descoberta desse novo estudo está ligada à espessura das placas MIECs das pilhas. Os testes mostraram que quanto mais finos são os filetes condutores, mais rápido acontece o transporte de eletricidade pelos íons, e, com isso, mais veloz é o carregamento e uma quantidade maior de energia consegue ser acumulada.
Além disso, com esse armazenamento otimizado, o desgaste dos materiais se mostrou menor, pois as trocas iônicas ocorreram mais rapidamente e “gastaram” menos os eletrodos. Com isso, as baterias duraram mais, visto que a vida útil delas está diretamente ligada ao estado físico dos componentes do circuito interno. A expectativa dos cientistas é de que esses conhecimentos possam ter uso comercial na elaboração de novas pilhas mais eficientes no futuro.
Difusão fracionada
Conceito eletroquímico importante que explica como as baterias são carregadas (quando estão na tomada) e como descarregam (enquanto estão em uso por um aparelho). É o processo espontâneo de movimento dos íons dentro da pilha — ou seja, o transporte de cargas elétricas de um ponto onde há muita energia para outro, onde há menos.
No carregamento, os íons vão, a partir da energia da tomada, para os eletrodos “vazios” da bateria. Durante o uso, esses íons transportam a eletricidade para placas do aparelho, que consome a carga armazenada na pilha.
A velocidade desse processo de difusão dos íons em momentos diferentes, ou ‘fracionada’, é crucial para definir o tempo que a bateria vai levar para ser carregada e para descarregar, além do seu potencial de guardar mais ou menos energia.
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