Uma nova bateria de zinco-ar supera as 300 horas de funcionamento e visa ser uma alternativa ao lítio

As baterias de zinco-ar são há anos uma alternativa interessante devido à sua capacidade de armazenar energia e ao uso de materiais relativamente abundantes. No entanto, existe um obstáculo que limitou seu desenvolvimento: fazer com que elas possam ser recarregadas de forma eficiente e manter seu desempenho após inúmeros ciclos continua sendo um desafio para os pesquisadores.

Uma equipe de químicos da Universidade Técnica de Darmstadt, na Alemanha, desenvolveu um novo material que pode ajudar a superar essa barreira. A pesquisa foca em melhorar as reações químicas que ocorrem dentro dessas baterias, com o objetivo de obter um funcionamento mais estável e duradouro. Os resultados obtidos em laboratório indicam possíveis aplicações no armazenamento de energia renovável.

Um catalisador híbrido para melhorar as baterias de zinco-ar

A chave desse avanço está em um catalisador composto por ferro, níquel e carbono. A equipe liderada pelo professor Jörg J. Schneider combinou partículas de ferrita de níquel em tamanho nanométrico com uma estrutura de carbono modificada com nitrogênio e fósforo. Essa configuração permite melhorar a atividade do material e manter sob controle as reações químicas necessárias para carregar e descarregar a bateria.

As ferritas de níquel já haviam sido estudadas como catalisadores para favorecer as reações do oxigênio nas baterias de zinco-ar recarregáveis. O problema era que esses materiais apresentavam uma atividade química limitada e podiam perder estabilidade durante o funcionamento. Para resolvê-lo, os pesquisadores incorporaram as pequenas partículas a uma estrutura de carbono em forma de nanochifres, o que ajuda a mantê-las dispersas e impede que se agrupem ou se dissolvam com tanta facilidade.

Esta camada de carbono também facilita o transporte de elétrons e das substâncias envolvidas nas reações eletroquímicas. Ao mesmo tempo, oferece mais pontos ativos para que tais reações ocorram. O resultado é um catalisador híbrido projetado para funcionar por mais tempo sem perder eficácia, um dos requisitos fundamentais para que as baterias de zinco-ar possam se tornar uma opção viável para aplicações de armazenamento de energia.

Nos testes realizados, o material atingiu um potencial de semionda de 0,79 volts e uma inclinação de Tafel de 56,5 milivolts por década, dois parâmetros utilizados para avaliar o comportamento dos catalisadores eletroquímicos. Ele também favoreceu uma via de redução do oxigênio de quatro elétrons, um processo relevante para melhorar a eficiência das reações que ocorrem dentro da bateria.

Os resultados também foram promissores ao integrar o catalisador em uma célula completa. A bateria alcançou uma densidade de potência máxima de 54 milivatios por centímetro quadrado, em comparação com os 28 milivatios por centímetro quadrado utilizados como referência para catalisadores convencionais baseados em platina e rutenio. Essa comparação indica uma melhora considerável nas condições experimentais do estudo, embora por si só não signifique que o sistema esteja pronto para ser comercializado.

O dado mais impressionante foi obtido durante os testes de carregamento e descarregamento. A bateria de zinco-ar conseguiu funcionar por mais de 300 horas em ensaios de laboratório, submetida a ciclos de corrente constante. Segundo os pesquisadores, o novo catalisador ajuda a estabilizar a chamada interface tripla, a região onde se encontram o catalisador sólido, o eletrólito líquido e o oxigênio do ar.

Mantener estável essa interface é essencial para que as reações ocorram de forma controlada. Se o catalisador perder sua atividade ou se deteriorar, o desempenho da bateria pode diminuir e sua vida útil fica comprometida. O novo material visa justamente evitar esses problemas e manter condições de funcionamento mais constantes por períodos prolongados.

Uma alternativa para armazenar energia renovável

As baterias de zinco-ar apresentam várias vantagens potenciais em comparação com as tecnologias baseadas em lítio. O zinco, o ferro e o carbono são materiais relativamente abundantes, o que pode facilitar o fornecimento de matérias-primas e reduzir os custos. Além disso, essas baterias podem utilizar eletrólitos aquosos não inflamáveis, uma característica que diminui determinados riscos associados a incêndios causados pelo superaquecimento das baterias.

Sua capacidade de armazenar grandes quantidades de energia em relação ao seu peso também as torna uma tecnologia interessante. No entanto, é preciso distinguir entre as possibilidades teóricas da química zinco-ar e o desempenho de uma bateria comercial completa. A densidade energética, a potência disponível, a eficiência de carregamento e descarregamento, bem como a duração real, dependem do design de cada sistema e das condições de funcionamento.

O avanço da Universidade Técnica de Darmstadt aborda uma parte importante desse problema, mas ainda restam questões a serem resolvidas antes de se pensar em uma implementação em larga escala. As mais relevantes são a durabilidade a longo prazo, a eficiência energética do ciclo completo, o custo de fabricação e a capacidade de manter o desempenho quando o tamanho das células é aumentado.

Pelas suas características, o armazenamento estacionário de eletricidade é uma das aplicações mais interessantes para essa tecnologia. As baterias de zinco-ar poderiam ajudar a guardar os excedentes de produção de instalações solares e parques eólicos para utilizá-los quando a geração for insuficiente. Nessa área, o custo dos materiais e a segurança podem ser tão importantes quanto a potência máxima oferecida pelo sistema.

A longo prazo, também se poderia estudar seu uso no transporte pesado e em carros elétricos. No entanto, a densidade de potência moderada e os desafios ainda presentes no processo de recarga fazem com que seja prematuro considerá-las um substituto direto das baterias atuais para automóveis. Para chegar a esse ponto, será necessário demonstrar que as vantagens observadas em laboratório se mantêm em sistemas completos, submetidos a condições reais de uso.

A pesquisa representa, portanto, um passo promissor em direção a baterias de zinco-ar mais duradouras e fáceis de recarregar. As mais de 300 horas de funcionamento obtidas nos testes demonstram o potencial do catalisador, embora o verdadeiro avanço tecnológico só ocorra quando for possível transferir esses resultados para instalações de maior porte e comprovar sua viabilidade econômica.