O novo tipo de bateria usa nano partículas de chumbo aliada a células de hidrogênio sobre um tecido flexível, o que a torna 20 vezes mais leve que uma pilha de chumbo convencional. Mais segura e sustentável, ela pode funcionar em aviões sem congelar ou explodir.
A nova bateria foi totalmente desenvolvido no Centro de Células a Combustível e Hidrogênio do Ipen, em São Paulo.
Vinte vezes mais leve, a nova bateria poderá ser usada também em aviões, em que o peso era um fator limitante para baterias convencionais.
Alem disso, a alta resistência a temperaturas extremas sem congelar ou explodir das novas baterias são necessárias na aviação.
Laboratório do Centro de Células a Combustível e Hidrogênio, onde o protótipo de bateria foi desenvolvido e testado – Foto: Ivan Conterno. IPEN
Bateria de chumbo reinventadausa nanopartículas do elemento
As baterias tradicionais precisam de água, são pesadas, além de poder congelar nas baixas temperaturas das grandes altitudes. Inviáveis para a aviação.
De olhos nesses desafios, pesquisadores do IPEN (Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares) e da USP criaram uma nova tecnologia para baterias à base de chumbo que viabiliza o armazenamento de energia em um dispositivo mais leve e sem os riscos de explosão ou congelamento.
Apesar de usar chumbo, a nova bateria é mais viável ecologicamente do que as baterias de íons de lítio e 20 vezes mais leve do que uma bateria de chumbo convencional, como as que usamos nos carros a combustão. Ela também pode funcionar em temperaturas extremas, inviáveis para as baterias encontradas hoje no mercado.
rotótipo da bateria flexível, na qual a parte transparente é uma membrana de troca de prótons que substitui o meio líquido de uma bateria convencional e a parte escura são as nanopartículas de chumbo que constituem os eletrodos, positivo de um lado e negativo do outro. Ao fundo, a doutoranda Victória Amatheus Maia – Foto: Ivan Conterno
Melhor que bateria de lítio
A nova bateria combina duas novidades da engenharia:
1- Chumbo na forma de nanopartículas, uma reinvenção em formato flexível dos eletrodos mais antigos – de quando o lítio ainda não dominava o mercado -, e 2- Uma membrana muito leve e compacta que substitui a água de uma bateria comum.
Em vez de grandes cápsulas rígidas, o novo sistema se apresenta como uma fita flexível capaz de armazenar mais energia em um espaço muito menor.
Isso é possível porque a área de contato do eletrodo, o chumbo partido em milhões de pedacinhos, é muito maior do que a de uma barra sólida do metal.
Embora o chumbo venha sendo abandonado nos últimos anos, ele é um material muito mais seguro (as baterias não explodem), fácil de ser reciclado e abundante do que o lítio, usado nas baterias de celulares, computadores e carros modernos.
“Já existem indústrias de reciclagem de chumbo; de lítio ainda não são comuns. As baterias de lítio se acumulam nos lixos eletrônicos e se reza para não pegarem fogo,” comenta o pesquisador Rodrigo de Souza.
E, para funcionar como pilha – a célula unitária de uma bateria -, o lítio precisa do cobalto, cuja mineração causa um enorme impacto no meio ambiente.
Além disso, as baterias de lítio surgiram por serem mais leves do que as de chumbo, o que deixa de ser uma vantagem com a nova invenção brasileira.
“A partir do momento que você diminui o peso dessas baterias, elas podem ser aplicadas em outros dispositivos que não eram pensados anteriormente,” explica o professor Almir de Oliveira, enumerando celulares, computadores e outros dispositivos eletrônicos.
Bateria Hibrida seca e Célula a combustível unidas
As nanopartículas de chumbo têm 35 nanômetros de comprimento e 5 nanômetros de espessura, ou seja, são invisíveis a olho nu.
Elas são depositadas sobre uma camada de carbono, sustentadas por uma membrana plástica compacta, formando uma célula a combustível PEM (proton-exchange membrane).
As partículas positivas (prótons de hidrogênio) caminham do polo negativo para o positivo através dessa membrana.
A membrana substitui a água, que é usada em uma bateria comum para servir como meio de deslocamento dos íons. “As células de chumbo são condicionadas para que uma vire o polo positivo e outra, negativo,” explicou Rodrigo.
O eletrodo de chumbo passa a ter uma área de contorno da superfície maior quando está dividido. É nessa área exposta que ocorrem as trocas de prótons. Por isso, esse fracionamento do chumbo aumenta a capacidade de armazenamento de energia da bateria como um todo.
Se fossem barras, somente a parte de fora seria aproveitada. Também, por ser feito de pedacinhos muito pequenos, o eletrodo pode ser dobrado e adaptado a qualquer superfície, tornando a bateria flexível e moldável.
A pesquisa representa um salto de qualidade em nível mundial: Nos últimos dez anos, os únicos avanços envolvendo as baterias de chumbo tinham sido aditivos para diminuir o acúmulo de crostas nos eletrodos convencionais.
Cada célula do protótipo tem aproximadamente 5 cm2 e espessura de 1,2 milímetro, mas a tecnologia pode ser prontamente escalonada. A bateria brasileira pode operar em temperaturas que vão de -20 ºC até cerca de 120 ºC. Nos testes, os protótipos se mostraram estáveis por 500 ciclos de carga e descarga.
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Artigo: Innovative lead-carbon battery utilizing electrode-electrolyte assembly inspired by PEM-FC architecture Autores: Rodrigo F.B. de Souza, Gabriel A. Silvestrin, Felipe G. Da Conceição, Victoria A. Maia, Larissa Otubo, Almir O. Neto, Edson P. Soares Revista: Journal of Energy Storage Vol.: 86, Part B, 111418 DOI: 10.1016/j.est.2024.111418
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