Uma experiência de três meses com um resultado extraordinário
Num laboratório da Universidade da Califórnia, em Irvine, a investigadora de doutoramento Mya Le Thai carregou e descarregou repetidamente um elétrodo experimental até este atingir 200 000 ciclos. Ao fim de três meses, os investigadores não detetaram qualquer perda de capacidade ou potência e não encontraram nanofios fraturados. A UCI anunciou os resultados a 20 de abril de 2016, quando o estudo foi publicado na ACS Energy Letters.
Índice
- Uma experiência de três meses com um resultado extraordinário
- Como uma fina camada de gel mudou a experiência
- Porque precisam os nanofios de proteção
- O que significam os valores de desempenho
- De onde vem a estimativa de 400 anos
- O que os investigadores ainda precisavam de compreender
- Dos nanofios de ouro às baterias práticas
- Os marcos por detrás da descoberta
- Principais pontos
O material combinava nanofios de ouro, um revestimento de dióxido de manganês e um eletrólito em gel semelhante ao Plexiglas. A sua durabilidade oferecia uma possível resposta a um problema persistente: os fios minúsculos, úteis para armazenar energia elétrica, tendem a fissurar com a utilização repetida.
A descoberta também deu origem a uma afirmação impressionante: uma bateria de computador portátil do futuro poderia durar 400 anos. Esse valor resulta da conversão do número de ciclos da experiência em anos, com base numa utilização presumida. O resultado concreto foi um elétrodo de laboratório que resistiu a 200 000 ciclos durante um ensaio de três meses.
Quase uma década depois do anúncio, o resultado com nanofios continua a ser uma prova de conceito em laboratório. Thai concluiu mais tarde o doutoramento e passou a investigar baterias para a mobilidade elétrica. A sua experiência continua a atrair atenções por apontar uma forma de manter intactos materiais frágeis de baterias durante a utilização repetida.
Como uma fina camada de gel mudou a experiência
Thai, investigadora norte-americana de origem vietnamita, estudava nanofios quando experimentou acrescentar uma fina camada de gel à estrutura experimental. Os elétrodos continuaram a funcionar quando os ensaios ultrapassaram os 10 000 ciclos e, alguns dias depois, os 30 000. Os testes acabaram por atingir os 200 000 ciclos.
Reginald Penner, autor sénior do estudo e então diretor do departamento de química da UCI, descreveu a descoberta inesperada no anúncio da universidade, em abril de 2016.
A Mya estava a experimentar e revestiu tudo isto com uma camada de gel muito fina, começando depois a submetê-lo a ciclos», afirmou Penner. «Descobriu que, só com a utilização deste gel, podia submetê-lo a centenas de milhares de ciclos sem perder capacidade.
Penner considerou o resultado surpreendente, porque estruturas comparáveis costumavam falhar ao fim de 5 000 a 7 000 ciclos. Em comparação com esses limites, os 200 000 ciclos do elétrodo da UCI correspondem a cerca de 29 a 40 vezes mais ciclos. Esta comparação descreve a melhoria face às estruturas referidas por Penner.
O elemento acidental foi o sucesso do tratamento com gel. Confirmar a sua eficácia exigiu testes prolongados: Thai continuou a submeter o elétrodo a ciclos durante meses, verificando se o seu desempenho elétrico ou estrutura física se degradavam.
Porque precisam os nanofios de proteção
Os nanofios são milhares de vezes mais finos do que um cabelo humano. Conduzem bem a eletricidade e oferecem uma grande área de superfície em relação ao seu tamanho, o que os torna materiais promissores para elétrodos, as partes de uma bateria onde a carga é armazenada e libertada através de reações eletroquímicas.
Os carregamentos e descarregamentos repetidos exercem pressão sobre estas estruturas. A UCI explicou que, durante a utilização numa bateria de iões de lítio convencional, os nanofios podem expandir-se e tornar-se quebradiços. Podem então surgir fissuras, fragmentando o material que tem de se manter ligado para que o elétrodo funcione eficazmente.
A estrutura experimental de Thai tinha três elementos principais. Um nanofio de ouro formava o núcleo, rodeado por dióxido de manganês, e um eletrólito em gel cobria o conjunto. Um eletrólito permite que partículas carregadas, chamadas iões, se desloquem através de um dispositivo de armazenamento de energia.
Os investigadores propuseram que o gel plastificava o óxido metálico. Em termos simples, poderá ter tornado o revestimento mais flexível, permitindo-lhe suportar movimento sem fissurar. Manter a estrutura intacta ajudou o elétrodo a preservar o seu desempenho ao longo de ciclos repetidos.
A UCI informou que, após o ensaio de três meses, o elétrodo não apresentava qualquer perda detetável de capacidade ou potência, nem nanofios fraturados. A capacidade descreve a quantidade de carga elétrica que um dispositivo pode armazenar; a potência descreve a rapidez com que pode fornecer energia. Ambas são importantes para uma bateria funcional.
O que significam os valores de desempenho
Também foi referido que a experiência alcançou uma eficiência coulombiana média de 94 a 96 por cento. A eficiência coulombiana compara a carga recuperada durante o descarregamento com a carga fornecida durante o carregamento. Um valor de 94 por cento significa que foram recuperadas cerca de 94 unidades de carga por cada 100 unidades fornecidas.
A retenção da capacidade e a eficiência coulombiana descrevem aspetos diferentes do desempenho. A retenção da capacidade acompanha a evolução da quantidade que um elétrodo consegue armazenar com a utilização repetida. A eficiência coulombiana acompanha a carga que entra e sai durante os ciclos. Um elétrodo pode manter a capacidade de armazenamento e, ainda assim, devolver menos carga do que aquela que recebe.
Uma configuração de nanobateria desenvolvida em Stanford em 2007 tinha alcançado anteriormente 40 000 ciclos. Os 200 000 ciclos da UCI correspondiam a cinco vezes esse valor, embora os dispositivos utilizassem configurações diferentes. Por isso, os respetivos desenhos e condições de teste são importantes para comparar os resultados.
A comparação com computadores portáteis também impressiona. Face aos 300 a 500 ciclos habitualmente atribuídos a uma bateria típica de computador portátil, 200 000 correspondem a 400 a cerca de 667 vezes mais ciclos. Estes números explicam o entusiasmo em torno da experiência, mas o desenvolvimento comercial continua a exigir uma bateria completa com capacidade adequada, materiais apropriados, segurança e custos de fabrico comportáveis.
De onde vem a estimativa de 400 anos
A estimativa parte do princípio de que um computador portátil completa 1 000 ciclos de carga a cada dois anos, ou 500 ciclos por ano. Dividindo 200 000 ciclos por 500, obtêm-se 400 anos. Cada passo deste cálculo é simples, mas a duração em anos é uma extrapolação a partir do resultado laboratorial.
O elétrodo de Thai atingiu esse número de ciclos em testes contínuos ao longo de três meses. Uma bateria usada no dia a dia também passa tempo parcialmente carregada, funciona a temperaturas variáveis e tem de trabalhar em conjunto com outros componentes. Um produto acabado tem de ser testado nas condições que os seus utilizadores vão encontrar.
O objetivo prático é prolongar o tempo de utilização entre substituições. Para quem tem um computador portátil, isso poderia significar manter a mesma bateria durante uma parte maior da vida útil do computador. Para um fabricante automóvel, poderia significar um sistema de armazenamento de energia capaz de suportar mais carregamentos e viagens antes de ser necessária uma substituição.
O que os investigadores ainda precisavam de compreender
O artigo de seguimento da UCI, de maio de 2016, descreveu trabalho adicional para compreender o revestimento de dióxido de manganês. Os investigadores conseguiam observar que o gel impedia o material de se fragmentar, mas continuavam a estudar as alterações sofridas pelo próprio material.
Penner, na qualidade de autor sénior e diretor do departamento de química, explicou a tarefa científica seguinte.
«A Mya está agora a fazer vários estudos para tentar perceber melhor o que se passa com o material de dióxido de manganês. Sabemos que o gel impede que se fragmente, mas não sabemos se o que resta é diferente do material que existiria sem o gel», afirma Penner.
Compreender esse processo é importante para reproduzir o resultado e adaptá-lo a outros materiais. Se os investigadores conseguirem identificar quais as propriedades do gel e do revestimento que preservam o elétrodo, poderão conceber estruturas mais deliberadamente preparadas para resistir a carregamentos repetidos.
O trabalho foi realizado em coordenação com o Nanostructures for Electrical Energy Storage Energy Frontier Research Center da Universidade de Maryland. O financiamento foi assegurado pela divisão de Ciências Básicas da Energia do Departamento de Energia dos Estados Unidos.
Dos nanofios de ouro às baterias práticas
O ouro representa um problema de custos para a produção em grande escala. Os investigadores têm explorado alternativas mais baratas, incluindo o níquel, como possível via para um desenho mais económico. A substituição do metal também exige verificar se o elétrodo resultante mantém a durabilidade da estrutura original.
Uma bateria comercial completa tem de combinar uma vida útil longa em ciclos com energia armazenada suficiente, potência útil, segurança fiável e um processo de produção acessível. O resultado da UCI abordou uma fragilidade específica de um elétrodo experimental: os danos físicos causados por ciclos repetidos. Transformar esse sucesso num produto implica cumprir também estes outros requisitos.
A UCI apontou os computadores, os smartphones, os eletrodomésticos, os automóveis e as naves espaciais como possíveis aplicações. Cada um colocaria exigências diferentes a uma bateria. Um telemóvel precisa de uma fonte de energia compacta; um veículo precisa de um sistema muito maior, capaz de fornecer potência considerável; as naves espaciais exigem um funcionamento fiável em condições difíceis.
Mais tarde, Thai tornou-se cientista principal na Enevate, uma empresa norte-americana de tecnologia de baterias, onde trabalhou em baterias avançadas para a mobilidade elétrica. Também apresentou pedidos de patente relativos a outras invenções, incluindo uma tecnologia destinada a atrasar a propagação térmica entre células. A propagação térmica ocorre quando o calor de uma célula avariada se transmite às células próximas.
Nos relatos do trabalho, não foi anunciada qualquer data de lançamento comercial da tecnologia de nanofios de ouro. A carreira posterior de Thai demonstra que continuou envolvida no desenvolvimento de baterias, incluindo desafios de durabilidade e segurança para além da experiência original.
Os marcos por detrás da descoberta
A história abrange um resultado anterior com uma nanobateria, meses de testes laboratoriais e dois anúncios da UCI em 2016. Reunir estes marcos facilita a compreensão da idade e do âmbito da descoberta.
- 2007: Uma configuração diferente de nanobateria, desenvolvida por investigadores de Stanford, atingiu os 40 000 ciclos, segundo os resultados divulgados.
- Durante a experiência da UCI: O elétrodo revestido com gel de Thai ultrapassou os 10 000 e depois os 30 000 ciclos, antes de atingir os 200 000 ao longo de três meses.
- 20 de abril de 2016: A UCI anunciou o resultado e as conclusões foram publicadas na ACS Energy Letters.
- 16 de maio de 2016: A UCI publicou um artigo de seguimento sobre a investigação em curso acerca do efeito do gel no dióxido de manganês.
- Depois de concluir o doutoramento: Thai integrou a investigação de baterias na indústria e tornou-se cientista principal na Enevate.
Thai descreveu o resultado em termos da maior estabilidade física do elétrodo e da possibilidade de criar baterias duradouras. Na qualidade de investigadora de doutoramento que liderou o estudo, afirmou:
O elétrodo revestido mantém muito melhor a sua forma, o que o torna uma opção mais fiável», afirmou Thai. «Esta investigação demonstra que um elétrodo de bateria à base de nanofios pode ter uma longa vida útil e que podemos tornar realidade este tipo de baterias.
Principais pontos
- O elétrodo de Mya Le Thai na UCI completou 200 000 ciclos ao longo de três meses, sem perda detetável de capacidade ou potência nem nanofios fraturados.
- O desenho combinava nanofios de ouro, dióxido de manganês e um eletrólito em gel que, segundo os investigadores, ajudava a evitar fissuras.
- Os resultados foram publicados na ACS Energy Letters a 20 de abril de 2016.
- A estimativa de 400 anos parte do princípio de 500 ciclos por ano; o teste laboratorial durou três meses.
- O custo do ouro e os requisitos de uma bateria completa continuam a ser fatores centrais para o desenvolvimento comercial.
- Mais tarde, Thai tornou-se cientista principal na Enevate, onde trabalhou em baterias para a mobilidade elétrica.
