ZnMnO2

Uma equipe de pesquisadores americanos buscava uma alternativa às baterias de íon de lítio. Meio que sem querer querendo, eles encontraram uma bateria recarregável tão barata quanto a usada em carros, mas muito mais eficiente. Tão eficiente que poderia ser utilizada para armazenar energia renovável, como o vento.

Quando trabalharam com baterias de zinco-manganês (Zn-Mn), os cientistas do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL, laboratório de pesquisa vinculado ao Departamento de Energia dos EUA) perceberam que esse tipo de bateria funcionava de maneira diferente do esperado. As baterias Zn-Mn não são novidade e vêm sendo pesquisadas há cerca de vinte anos como alternativa às de íon de lítio.

O problema com os sistemas de Zn-Mn é a recarga: “Essas baterias geralmente param de funcionar após poucas cargas.”, explicou Jun Liu, do PNNL, ao TechXplore. Segundo a pesquisa de Liu e seus colegas publicada em 18/04 na Nature Energy, essas falhas ocorrem porque não percebemos que seria necessário controlar o equilíbrio químico das baterias recarregáveis de zinco-manganês.

Li, o íon metido

Parte do problema é que os próprios engenheiros químicos acabaram se acostumando com o mecanismo de funcionamento das baterias de íon de lítio. Tais baterias armazenam e liberam energia por um processo conhecido como intercalação, no qual os íons de lítio entram e saem de nichos microscópicos entre os átomos dos eletrodos da bateria.

Nos últimos 20 anos, todo mundo pensou que um sistema zinco-manganês funcionaria tal como o de íon de lítio. Mas os cientistas do PNNL e seus colaboradores da University of Washington perceberam que todo mundo estava errado sobre o funcionamento dos sistemas Zn-Mn.

Após baterias de Zn-Mn passarem por baterias de testes e ficarem inutilizáveis depois de poucas recargas, Liu e seus colegas tentaram descobrir o porquê. Para isso, eles começaram com uma detalhada análise química e estrutural dos eletrodos (o de zinco é o negativo; o de dióxido de manganês, o positivo) e do eletrólito (uma solução aquosa).

(Des)equilíbrio eletrolítico

Foi então que notaram que não eram os íons de zinco que ficavam entrando e saindo de nichos. O que descobriram foi algo mais parecido com as baterias comuns, de ácido: uma reação química reversível.

Para confirmar a descoberta, os eletrodos foram examinados ainda mais detalhadamente, inclusive com técnicas de microscopia eletrônica, ressonância magnética nuclear e difração de raios-X. A combinação dessas técnicas revelou o segredo das baterias de Zn-Mn: o óxido de manganês reage reversivelmente com prótons do eletrolito aquoso, criando um novo material, o hidroxil-sulfato de zinco.

O que causa a perda de eficácia das baterias de Zn-Mn é o desequilíbrio dessa reação, que vai erodindo o manganês do eletrodo positivo. Cada recarga vai desgastando mais o eletrodo até que a bateria morre.

Guardando vento

Porém, uma vez determinada a taxa de dissolução do manganês, foi fácil reduzir esse efeito. Bastou aumentar a concentração inicial de manganês na solução aquosa. Assim, foi feita uma nova bateria, com mais íons de manganês. Ao ser testada, a bateria corrigida alcançou uma capacidade de armazenamento da ordem de 285 mili-Ampère-horas por grama de óxido de manganês. Esse equipamento resistiu por 5000 ciclos, retendo 92% de sua capacidade inicial.

“Como resultado”, esclarece Liu, “baterias de Zn-Mn podem ser uma solução mais viável para o armazenamento de energia em larga escala do que as baterias de íon de lítio ou ácido-chumbo usadas atualmente”.

Antes de chegar lá, porém, mais estudos serão necessários. O PNNL ainda planeja aprofundar as pesquisas sobre os fundamentos da bateria de zinco-manganês e aperfeiçoar o equilíbrio eletrolítico observado. Se tudo der certo, vamos poder armazenar vento nos próximos anos.

Vamos fazer uma saudação ao zinco-manganês! E viva a mandioca!

Referência

rb2_large_gray25PAN, Huilin et. al. Reversible aqueous zinc/manganese oxide energy storage from conversion reactions [Armazenamento de energia reversível a partir de reações de conversão em solução aquosa de zinco/óxido de manganês]. Nature Energy. Article number: 16039 (2016) doi:10.1038/nenergy.2016.39

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