Segundo Fôlego

Cortesia da IBM Research – Zurique

Na simulação computacional da IBM cientistas estudam simulações da interação de um eletrólito de solvente orgânico (carbonato de propileno) com íons de lítio (em branco) e oxigênio próximos de uma superfície de peróxido de lítio (a estrutura plana perto do fundo da imagem).

Pesquisadores preveem que um novo tipo de bateria de lítio ainda em desenvolvimento poderia dar energia suficiente para um carro elétrico viajar impressionantes 800 km antes de precisar de uma recarga – cerca de 10 vezes a energia que as baterias de lítio atuais fornecem. Na próxima geração de veículos, uma fonte de energia mais leve, mais durável e que respira ar seria uma ideia encantadora – se alguém conseguir produzir um modelo funcional. Existem, porém, vários obstáculos entre as baterias lítio-ar e a estrada, principalmente no que diz respeito a eletrodos e eletrólitos estáveis o suficiente para a química das baterias recarregáveis. 

A IBM planeja tirar as baterias lítio-ar do ponto morto ao construir um protótipo que funcione até o fim do ano que vem. A empresa anunciou sexta-feira que já acelerou o desenvolvimento da bateria com a ajuda de outras duas empresas de tecnologia japonesas – a fabricante de produtos químicos Asahi Kasei Corp. e a de eletrólitos Central Glass – no projeto IBM Battery 500, uma parceria que a IBM estabeleceu em 2009 para acelerar a transição de veículos à gasolina para veículos elétricos entre indústrias e clientes.

As baterias de lítio utilizadas atualmente em veículos se baseiam em um cátodo de óxido ou fosfato de metal (normalmente cobalto, manganês ou materiais baseados em ferro) como eletrodo positivo, um ânodo baseado em carbono como eletrodo negativo e um eletrólito para conduzir íons de lítio de um eletrodo a outro. Quando o carro entra em movimento, os íons de lítio fluem do ânodo para o cátodo através do eletrólito e da membrana separadora. Carregar a bateria inverte a direção do fluxo de íons.

A maioria das baterias atuais de íons de lítio têm autonomia de apenas 160 km. (A empresa Nissan diz que o Leaf, seu veículo totalmente elétrico, tem autonomia de aproximadamente 175km). Veículos elétricos plug-in como o Chevy Volt têm uma autonomia ainda mais limitada, de até 80 km antes que o motor a gasolina precise ser ativado.

As especificidades de como baterias lítio-ar vão operar ainda estão sendo determinadas, mas a ideia geral é que, em vez de usar óxidos de metais pesados, oxigênio atmosférico seja coletado enquanto o veículo estiver em movimento. As moléculas de oxigênio reagem com os íons de lítio e elétrons na superfície de um cátodo poroso de carbono para formar peróxido de lítio. Essa formação de peróxido de lítio durante a descarga da bateria produz uma corrente elétrica que faz o motor do carro funcionar. Na recarga ocorre a reação inversa: o oxigênio é liberado de volta à atmosfera. O ânodo, por sua vez, é feito de lítio, o metal mais leve da Natureza. Sem a necessidade de metais pesados a bateria seria muito mais leve que sua prima de íons de lítio e, ao mesmo tempo, capaz de armazenar mais energia.

Ainda que isso funcione em simulações de computador, baterias lítio-ar têm, na prática, necessidades específicas que os cientistas ainda tentam atender. “Descobrimos bem cedo que os eletrólitos usados atualmente em baterias de íons de lítio não funcionam em versões de lítio-ar porque o oxigênio as atacam e destrói o eletrólito” tornando-as incapaz de conduzir cargas, explica Winfried Wilcke, pesquisador de princípios do projeto Battery 500. Uma solução, propõe ele, seria usar dois eletrólitos diferentes: um para o cátodo e outro para o ânodo, com uma membrana entre eles para evitar que se misturem.

É aí que entram os novos parceiros da IBM. A Asahi Kasei vai desenvolver uma membrana que as baterias podem usar para separar seus eletrólitos enquanto permitem que íons de lítio passem do ânodo para o cátodo. E a Central Glass vai criar uma nova classe de eletrólitos e aditivos de alto desempenho, desenvolvidos especificamente para melhorar a performance das baterias de lítio-ar.

Outra forma de medir o potencial das versões de lítio-ar é compará-las com outras baterias em termos de energia específica, ou quanta energia elas produzem em relação ao seu porte. Enquanto baterias convencionais de chumbo-ácido produzem até 40 watts-hora/kg, uma bateria de íons de lítio chega a 250 watts-hora/kg.

O projeto Battery 500 não é o único quando o assunto é desenvolver baterias de lítio-ar. Pesquisadores do Massachusetts Institute of Technology estão desenvolvendo uma bateria de lítio-ar com eletrodos de nanofibras de carbono. Além disso, Yangchuan Xing, professor associado de engenharia química e biológica na Universidade de Ciência e Tecnologia de Missouri, recebeu, no ano passado, um prêmio de US$1,2 milhão da Agência de Projetos de Pesquisa Avançados em Energia (Arpae).

Wilcke estima que essas baterias só ficarão prontas para produção em 2020, no mínimo, “se não encontrarmos nenhuma tecnologia mais promissora durante a pesquisa”. E completa: “A única coisa de que tenho certeza é que isso não acontecerá nesta década”.