Cientistas querem que baterias de íon de sódio comecem a competir com baterias de íon de lítio

Pesquisador trabalhando no desenvolvimento de baterias de íons de sódio. (Imagem da Delft University of Technology).

Cientistas da Academia Chinesa de Ciências e da Universidade de Tecnologia de Delft estão trabalhando para acelerar a pesquisa de baterias de íon de sódio para que possam competir com as baterias de íon de lítio encontradas em nossos smartphones, laptops e carros elétricos.

Em artigo publicado na revista Science, os pesquisadores apresentam evidências de algo que nem mesmo os melhores supercomputadores foram capazes de fazer: desenvolver um método para prever a estrutura atômica de baterias de íon sódio.

Como o nome já diz, as baterias de íon sódio são baseadas no sódio, que é encontrado no sal de cozinha, entre outras coisas. Em teoria, as baterias de íon-Na não têm um desempenho tão bom quanto as baterias de íon de lítio, ou seja, sua densidade de energia é de 20% a 30% menor do que a das baterias de íon de lítio.

Os pesquisadores afirmam que, embora esse desempenho reduzido não os torne competitivos quando se trata de telefones celulares ou carros elétricos, eles podem ser uma boa alternativa para situações em que o peso é um pouco menos importante.

Em seu artigo, os cientistas mencionam aplicações marítimas, veículos que podem ser carregados com frequência e paredes de energia em casa ou parques de bateria que armazenam energia eólica e solar como elementos que poderiam se beneficiar dessas baterias.

O documento também afirma que as baterias de íon-Na oferecem mais oportunidades no uso de matérias-primas para a construção de eletrodos positivos melhores e mais baratos, nos quais o cobalto - comumente usado em baterias de íon-lítio - não seria necessário.

Mas chegar à receita precisa do cátodo foi um desafio.

“Dependendo do coquetel de elementos necessários, você acabará com diferenças sutis na estrutura atômica do eletrodo positivo, que têm um grande impacto no desempenho da bateria”, disse Marnix Wagemaker, coautor do estudo, em um comunicado à mídia. “Com apenas um punhado de elementos, existem tantas possibilidades estruturais que mesmo o supercomputador mais rápido não pode prever como as diferentes combinações resultarão. Como resultado, o desenvolvimento de novos materiais é lento.”

É por isso que Wagemaker e sua equipe decidiram entender melhor a estrutura semelhante a um sanduíche do cátodo e trabalhar para prever a fórmula ideal para ele.

“No início parecia que o tamanho dos íons determinava a estrutura atômica”, disse Wagemaker. “Mas logo ficou claro que esse não era o único fator. A distribuição da carga elétrica dos íons desempenha um papel fundamental.”

De acordo com o especialista, este foi um insight crucial porque a razão entre o tamanho de um íon e sua carga, o chamado "potencial iônico", é conhecido por ter valor preditivo.

Assim, os pesquisadores desenvolveram uma fórmula simples baseada no potencial iônico e foram capazes de prever qual estrutura iriam obter em qual proporção de uma seleção de matérias-primas. “A fórmula nos guia através do enorme número de possibilidades para os materiais de eletrodo que podem fornecer o melhor desempenho”, disse Wagemaker.

Os cientistas também testaram sua fórmula projetando novos materiais e tentaram fazer um cátodo com a maior densidade de energia possível e outro que carregue muito rapidamente.

“Em ambos os casos, tivemos sucesso. Em termos de densidade de energia, estávamos no limite superior do que é possível. Gosto do fato de que uma fórmula tão simples, baseada em uma ideia muito antiga da geologia, pode fazer previsões na escala atômica com tanta precisão”, disse Wagemaker.

Para a equipe, o próximo passo é olhar também para outros tipos de estruturas, tanto em eletrodos quanto em eletrólitos para diversos tipos de baterias.