Bateria de Prótons: Opção inovadora para o futuro do armazenamento de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/12/2024

Professor Zhao segura o protótipo de bateria de prótons construído por sua equipe.
[Imagem: UNSW]

Íons de hidrogênio

Você está bem acostumado com as baterias de íons, mas também é possível construir baterias usando prótons.

Bem, não é muito diferente, já que um próton, neste caso específico, é um íon de hidrogênio - nem todo íon de hidrogênio é um próton.

Mas pode fazer a diferença. Usar íons de hidrogênio - prótons - em vez de íons como os de lítio, permite criar baterias capazes de enfrentar alguns dos desafios críticos no armazenamento de energia moderno, incluindo a escassez do lítio, o impacto ambiental, o risco de incêndio e explosões, e os custos elevados.

Sicheng Wu e colegas da Universidade de Novas Gales do Sul, na Austrália, demonstraram agora que essas baterias de íons de hidrogênio têm capacidade de armazenar energia rapidamente - recarga rápida -, podem durar mais do que as baterias de lítio e funcionar bem em temperaturas abaixo de zero, quando as atuais não ficam bem nem mesmo perto de zero.

Mas isso só se tornou realidade graças a um material desenvolvido pela equipe, um material que permite o movimento rápido dos prótons através de redes de ligações de hidrogênio - o material foi batizado de TABQ, sigla de tetraamino-benzoquinona.

"Nós desenvolvemos um novo material, formado por pequenas moléculas com alta capacidade para armazenamento de prótons," disse o professor Chuan Zhao. "Usando este material, construímos com sucesso uma bateria de prótons totalmente orgânica que é eficaz tanto em temperatura ambiente quanto em temperaturas de congelamento abaixo de zero."

Esquema da bateria de prótons.
[Imagem: Sicheng Wu et al. - 10.1002/anie.202412455]

Eletrodos para bateria de prótons

As baterias armazenam energia química e a convertem em energia elétrica por meio de reações entre dois eletrodos, o ânodo e o cátodo. Partículas transportadoras de carga, conhecidas como íons, são transferidas através do componente intermediário da bateria, conhecido como eletrólito.

Devido à alta demanda e aos problemas envolvendo as baterias de íons de lítio, a possibilidade de construir baterias de prótons começou a chamar a atenção, uma vez que os prótons têm o menor raio iônico e a menor massa dentre todos os elementos, o que lhes permite difundir-se rapidamente. Assim, ao menos teoricamente, o uso de prótons resulta em baterias com alta energia e densidade de potência, além do que os prótons são relativamente baratos, produzem zero emissões de carbono e carregam rapidamente.

Os primeiros protótipos de bateria de hidrogênio começaram a ser demonstrados há poucos anos, mas logo outra equipe australiana mostrou que as baterias de prótons podem ser muito baratas. Mas ainda havia desafios.

"As baterias de prótons trazem muitos benefícios, mas os atuais materiais dos eletrodos usados nas baterias de prótons, alguns dos quais são feitos de materiais orgânicos e outros de metais, são pesados e ainda têm um custo muito alto," contextualizou Wu.

A equipe enfrentou então o desafio de criar um novo eletrodo para as baterias de prótons.

O novo material é promissor, e poderá ficar barato se fabricado em escala industrial.
[Imagem: Sicheng Wu et al. - 10.1002/anie.202412455]

Potencial redox

Wu e seus colegas começaram com uma pequena molécula, chamada tetracloro-benzoquinona (TCBQ), que inclui quatro grupos de cloro. Embora a TCBQ já tenha sido usado anteriormente para projetar materiais de eletrodos, a faixa de potencial redox deste composto é o pior de dois mundos - nem baixa o suficiente para ser usada como ânodo, e nem alta o suficiente para ser usada como cátodo.

O potencial redox é um parâmetro fundamental em eletroquímica, estando relacionado ao fluxo de eletricidade, essencial para as baterias. A faixa de potenciais redox em uma bateria é importante porque afeta o desempenho: Normalmente, os potenciais redox dos materiais catódicos precisam estar localizados em uma faixa alta e os dos ânodos precisam estar localizados em uma faixa baixa para garantir uma saída de tensão desejável da bateria.

Após várias rodadas de modificações do composto, os pesquisadores decidiram substituir os quatro grupos cloro por quatro grupos amino, criando uma molécula de tetraamino-benzaquinona (TABQ). Ao adicionar grupos amino, os pesquisadores melhoraram significativamente a capacidade do material de armazenar prótons e reduzir sua faixa de potencial redox.

Combinada com um cátodo TCBQ, a bateria totalmente orgânica ofereceu um ciclo de vida longo (3.500 ciclos de carga total e, em seguida, descarregamento total da bateria), alta capacidade e bom desempenho em condições frias, tornando-a um passo promissor para o armazenamento de energia renovável.

"Se você apenas olhar para o material TABQ que projetamos, verá que não é necessariamente barato produzi-lo no momento," disse o professor Zhao. "Mas, como ele é feito de elementos leves abundantes, será fácil e acessível eventualmente fabricá-lo em larga escala."

Mais tópicos