Pesquisadores do Cine (Centro de Inovação em Novas Energias) e colaboradores desenvolveram um material capaz de melhorar o desempenho de baterias e supercapacitores baseados em íons de sódio, tecnologia alternativa à de íons de lítio, a mais usada atualmente.
O Cine é um CPE (Centro de Pesquisa em Engenharia) constituído pela FAPESP (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo) e pela Shell, com sedes na Unicamp (Universidade Estadual de Campinas), USP (Universidade de São Paulo) e no Ipen (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares).
Em ambas as tecnologias, os íons são os encarregados de transportar e estocar elétrons durante a carga e a descarga dos dispositivos.
Nesses processos, os íons penetram o material dos eletrodos, sendo que os menores conseguem fazê-lo mais rapidamente. Nesse ponto, embora o sódio seja pequeno, o lítio é campeão, sendo o menor íon em estado sólido da tabela periódica.
Contudo, o sódio apresenta uma importante vantagem: trata-se de um elemento abundante e bem distribuído no planeta, tanto na crosta terrestre quanto, principalmente, no mar. Essa característica facilitaria a produção mundial de dispositivos de armazenamento de energia, cada vez mais demandados, dentro dos esforços para diminuir as emissões de carbono e estocar eletricidade proveniente de fontes renováveis como o sol e os ventos.
No caso do lítio, as reservas são menos abundantes e se concentram em poucos países.
“Em nosso trabalho desenvolvemos dispositivos que funcionam com íons de sódio –uma tecnologia cuja viabilidade econômica é muito mais interessante do que a de íons de lítio e que poderia ser fabricada em muitos países, inclusive o Brasil”, disse Hudson Zanin, professor da Unicamp e pesquisador do programa Armazenamento Avançado de Energia do Cine.
Essa tecnologia, porém, ainda não está pronta para a comercialização. Um dos desafios principais para viabilizá-la é desenvolver eletrodos nos quais os íons de sódio possam entrar e sair mais rapidamente. Nesse contexto, em artigo publicado no Journal of Energy Storage, Zanin e os demais autores apresentam um novo material para os eletrodos desses dispositivos formado por nanotubos de carbono com nanopartículas de pentóxido de nióbio (NbO5).
A equipe estudou o desempenho desse material como eletrodo de uma bateria e de um supercapacitor de íons de sódio. Os resultados dos experimentos e das simulações computacionais mostraram que o eletrodo funcionou muito bem nos principais mecanismos de armazenamento de cargas desses dispositivos: a intercalação e a adsorção.
Os autores observaram que os íons de sódio penetraram o pentóxido de nióbio em velocidade ultrarrápida e foram bem adsorvidos por eletrostática na grande área superficial dos nanotubos de carbono. Em consequência, a capacitância dos dispositivos –a sua habilidade de coletar e armazenar cargas elétricas– aumentou significativamente em relação ao eletrodo convencional de nanotubos sem nanopartículas.
O estudo foi realizado durante o doutorado de Carla Real, que está em andamento na Unicamp sob a orientação de Zanin. Contou com a colaboração de pesquisadores da Kansas State University, nos Estados Unidos, na produção e caracterização da bateria de sódio.
Também participaram do trabalho pesquisadores da UFMT (Universidade Federal do Mato Grosso) e da UFVJM (Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri), que ajudaram a compreender os fenômenos eletroquímicos fundamentais que ocorriam nos dispositivos.
Leia aqui o artigo “Freestanding niobium pentoxide-decorated multiwalled carbon nanotube electrode: Charge storage mechanism in sodium-ion pseudocapacitor and battery”.
Com informações de Agência FAPESP