De laptops a smartphones e à florescente indústria de carros elétricos, nosso mundo está cada vez mais dependente de baterias recarregáveis. Mas como qualquer um que possua um laptop há mais de alguns anos sabe, as baterias acabam perdendo a capacidade de manter uma carga completa.
Os cientistas nunca entenderam realmente por que isso acontece, o que tornou um problema difícil de resolver. Mas de acordo com um par de estudos recentes de pesquisadores do Departamento de Energia dos EUA, publicado na revista Nature Communications, podemos estar mais próximos do que nunca de uma bateria que não se degrada.
Trabalhando especificamente com baterias de íons de lítio, comumente usadas em dispositivos de consumo por causa de sua leveza e alta capacidade, os cientistas mapearam o processo de carga e descarga até bilionésimos de metro para entender melhor como funciona a degradação. Eles descobriram dois culpados na degradação da bateria. A primeira: vulnerabilidades microscópicas na estrutura do material da bateria dirigem os íons de lítio ao acaso através da célula, corroendo a bateria de formas aparentemente aleatórias, muito parecido com a ferrugem espalhada pelas imperfeições do aço. No segundo estudo, focado em encontrar o melhor equilíbrio entre tensão, capacidade de armazenamento e ciclos máximos de carga, os pesquisadores não apenas encontraram problemas similares com o fluxo de íons, mas também pequenos acúmulos de cristais nanométricos deixados por reações químicas, que causam a fluxo de íons para se tornar ainda mais irregular após cada carga. Correndo baterias em voltagens mais altas também levou a mais irregularidades do trajeto de íons e, portanto, uma bateria de deterioração mais rápida.
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Pode parecer que os cientistas deviam ter entendido completamente a bateria - uma tecnologia que existe efetivamente desde 1800 - décadas atrás. Mas Huolin Xin, cientista de materiais do Brookhaven Lab e co-autor de ambos os estudos, diz que a combinação vencedora de novas tecnologias só recentemente se tornou disponível.
"Muitas ferramentas de caracterização de última geração, como microscópios eletrônicos corrigidos pela aberração e novas técnicas de raios X síncrotron, não estavam disponíveis há 10 anos", diz Xin. Mas agora, ele diz, elas podem ser aplicadas ao estudo de baterias de íons de lítio.
Os novos dados dão aos pesquisadores uma imagem mais clara de como essas baterias funcionam, o que poderia levar a baterias mais duradouras em produtos eletrônicos de consumo em um futuro não muito distante. Mas também apresenta novos problemas. Xin diz que maximizar a área de superfície é importante para o desempenho da bateria, mas uma área de superfície maior também provavelmente facilita a degradação.
“Para evitar [a degradação da superfície], podemos revestir o catodo com uma camada de proteção”, diz Xin, “ou ocultar essas superfícies criando limites dentro dos pós de tamanho mícron [dentro da célula]”.
Encontrar as formas mais eficientes e econômicas de fazer isso será parte de uma fase futura da pesquisa.
Mas Daniel Abraham, um cientista especializado em pesquisa de baterias de íons de lítio no Argonne National Laboratory, nos arredores de Chicago, está cético quanto ao fato de os novos estudos representarem um grande avanço. Ele diz que o trabalho de mapeamento com materiais similares foi feito no passado, inclusive por sua equipe há cerca de 12 anos. Ele também acredita que pode haver mais na degradação da bateria do que os novos estudos descobriram.
"Eles estão tentando fazer uma correlação entre a degradação do desempenho e as imagens que eles vêem, o que pode não estar correto", diz Abraham. "É parcialmente a história, mas não acho que seja a história toda."
Xin, está mais otimista de que o trabalho levará a melhorias na bateria, não apenas para os futuros veículos elétricos, mas também para os eletrônicos portáteis.
"O cátodo de óxido de lítio-níquel-manganês-cobalto foi recentemente identificado como o único material comercialmente viável para as baterias de íon de lítio de próxima geração", diz Xin. "Ao resolver seu problema de degradação, podemos tornar as baterias da próxima geração menores e fazê-las carregar e descarregar de forma mais confiável".
Os dois especialistas em bateria concordam que, para muitas aplicações futuras importantes, encontrar uma maneira de fazer baterias que não se desgastam tão rapidamente é tão importante quanto criar baterias com maior capacidade.
Xin ressalta que os compradores de carros elétricos se preocupam justamente com a falha da bateria depois que a garantia expira. Abraham observa que, embora você provavelmente só precise de alguns anos de desempenho com a bateria do smartphone ou tablet, para os veículos elétricos, a maioria dos proprietários está procurando uma bateria que dura de 10 a 15 anos. E para uso na rede elétrica (para armazenar o excesso de energia produzido fora do horário de pico), as baterias devem durar 30 anos ou mais.
Isso torna a construção de uma bateria melhor para o seu laptop muito mais fácil do que resolver problemas de longevidade em outras áreas.
"É bom ter uma maior densidade de energia, mas se você tem uma alta densidade de energia, mas não uma vida longa, a viabilidade comercial dessas tecnologias é questionada", diz Abraham. "Considerando que, se você pode mostrar que tem uma nova tecnologia e pode durar entre dois e 30 anos, isso se torna imediatamente viável comercialmente."
Embora o trabalho de Xin e seus colegas possam ajudar os pesquisadores a criar baterias que não se degradam com tanta rapidez, fica claro que mais avanços serão necessários antes de vermos baterias recarregáveis que duram uma década ou mais sem uso sério.
