Thomas Edison vislumbrou o potencial dos veículos elétricos muito antes de estes se tornarem uma tendência. Mas durante a sua vida, os avanços tecnológicos dos automóveis a gasolina atiraram a sua ideia, uma bateria de níquel-ferro, para segundo plano. Até agora.
É um facto pouco conhecido: nos anos 1900, havia mais automóveis elétricos do que movidos a gasolina nas estradas americanas. Mas a bateria automóvel de chumbo-ácido da época, cortesia de Thomas Edison, era dispendiosa e tinha uma autonomia de apenas cerca de 50km.
Edison tentou na altura melhorar a tecnologia de baterias, e acreditava que a bateria de níquel-ferro era o futuro, que prometia uma autonomia de 160 km, uma longa vida útil e um tempo de recarga de 7 horas, rápido para aquela era.
Infelizmente, essa promessa nunca se concretizou. As primeiras baterias de automóveis elétricos ainda sofriam de limitações sérias, e os avanços no motor de combustão interna, além da descoberta de poços de petróleo, que tornaram a gasolina mais barata, fizeram pender a corrida para os veículos a combustão.
Agora, uma colaboração de investigação internacional co-liderada pela UCLA inspirou-se nas ideias de Edison, e desenvolveu uma bateria de níquel-ferro — que pode não vira a alimentar automóveis, como o famoso inventor pretendia, mas ser muito adequada para armazenar energia gerada em parques solares.
O protótipo foi capaz de recarregar em apenas segundos, em vez de horas, e alcançou mais de 12.000 ciclos de descarga e recarga — o equivalente a mais de 30 anos de recargas diárias.
A tecnologia foi construída a partir de minúsculos aglomerados de metal padronizados através de proteínas que foram depois ligados a um material bidimensional, feito de folhas com apenas um átomo de espessura.
Apesar dos ingredientes inovadores, as técnicas usadas no desenvolvimento da bateria, que foram apresentadas num artigo publicado na revista Small, são enganadoramente simples e económicas.
“As pessoas pensam frequentemente nas ferramentas modernas de nanotecnologia como complicadas e de alta tecnologia, mas a nossa abordagem é surpreendentemente simples e direta“, afirma o bioquímico Maher El-Kady, da UCLA, e co-autor do estudo.
“Estamos apenas a misturar ingredientes comuns, a aplicar etapas de aquecimento suave e a usar matérias-primas amplamente disponíveis”, acrescenta o investigador, em comunicado da UCLA.
Baterias que recebem ajuda da biologia
O mundo natural forneceu algumas pistas aos investigadores. De particular interesse foi o processo pelo qual os animais formam ossos e os moluscos formam as suas carapaças duras.
Quer os esqueletos sejam internos ou externos, são feitos de proteínas que atuam como andaimes para recolher compostos à base de cálcio.
Os investigadores procuraram imitar este mecanismo para gerar os seus minúsculos aglomerados de níquel ou ferro, explica Ric Kaner, investigador da UCLA e corresponding author do artigo. “Fomos inspirados pela forma como a natureza deposita este tipo de materiais”.
“Depositar minerais da forma correta constrói ossos que são fortes, mas flexíveis o suficiente para não serem quebradiços. A forma como é feito é quase tão importante quanto o material usado, e as proteínas orientam a forma como são colocados”, detalha o investigador.
Isabella Luo / UCLA
Ric Kaner e Maher El-Kady
A equipa usou proteínas que são subprodutos da produção de carne de bovino. As moléculas serviram como moldes para o crescimento de aglomerados de níquel para elétrodos positivos e ferro para elétrodos negativos.
Os recantos e fendas na estrutura proteica dobrada limitaram o tamanho dos aglomerados de metal a menos de 5 nanómetros. Isto é tão pequeno que seriam necessários cerca de 10.000 a 20.000 aglomerados para igualar a largura de um cabelo humano. Os investigadores detetaram até átomos individuais de ferro e níquel nos seus elétrodos.
As proteínas foram combinadas com óxido de grafeno, um material 2D ultrafino que vem em folhas de um único átomo de espessura compostas por carbono decorado com átomos de oxigénio.
Embora o oxigénio possa criar obstruções que fazem o material atuar mais como um isolante, o processo que se seguiu mudou tudo.
Os ingredientes foram superaquecidos em água e depois cozidos a alta temperatura, fazendo com que as proteínas se carbonizassem em carbono, removendo o oxigénio do material 2D e incorporando os minúsculos aglomerados metálicos guiados pelas proteínas. A estrutura resultante foi um aerogel, feito de quase 99% de ar por volume.
Parte do molho secreto da tecnologia é a área de superfície — quanto mais exposta, mais espaço para as reações por detrás da química das baterias ocorrerem.
Havia muito desse espaço, fornecido pela reduzida espessura do aerogel de grafeno e pelo excesso de espaço vazio. E a pequenez dos nano-aglomerados metálicos tira partido de um princípio matemático fundamental: à medida que os objetos ficam mais pequenos, o tamanho da superfície externa exposta aumenta muito mais do que o volume.
“À medida que passamos de partículas maiores para estes nano-aglomerados extremamente minúsculos, a área de superfície fica dramaticamente maior”, disse El-Kady.
“Isso é uma enorme vantagem para as baterias. Quando as partículas são tão pequenas, quase todos os átomos podem participar na reação. Portanto, o carregamento e descarregamento acontecem muito mais rapidamente, é possível armazenar mais carga, e toda a bateria funciona simplesmente de forma mais eficiente”, conclui o investigador.
(ZAP)