Porque é que as baterias se gastam? Cientistas finalmente desvendam o mistério

Os investigadores descobriram o mecanismo fundamental subjacente à degradação das baterias, o que poderá revolucionar a conceção de iões de lítio, melhorando a autonomia e a vida útil dos veículos elétricos e fazendo avançar as soluções de armazenamento de energia limpa.

O estudo, publicado na revista Science, identifica a forma como as moléculas de hidrogénio interferem com os iões de lítio na bateria, oferecendo conhecimentos que poderão conduzir a uma tecnologia de baterias mais sustentável e rentável.

Segundo o SciTechDaily, uma equipa internacional de investigadores, liderada por um engenheiro da Universidade de Colorado Boulder, revelou o mecanismo subjacente à degradação das pilhas.

A sua descoberta pode ajudar os cientistas a desenvolver baterias melhores, que permitirão aos veículos elétricos andar mais e durar mais tempo, ao mesmo tempo que farão avançar as tecnologias de armazenamento de energia que acelerarão a transição para a energia limpa.

“Estamos a contribuir para o avanço das baterias de iões de lítio, descobrindo os processos a nível molecular envolvidos na sua degradação”, afirmou Michael Toney, autor correspondente do artigo e professor do Departamento de Engenharia Química e Biológica.

“Ter uma bateria melhor é muito importante para mudar a infraestrutura energética dos combustíveis fósseis para fontes de energia mais renováveis”, acrescentou.

Há anos que os engenheiros têm vindo a trabalhar na criação de baterias de iões de lítio — o tipo mais comum de baterias recarregáveis — sem cobalto.

O cobalto é um mineral raro dispendioso e o seu processo de extração tinha sido associado a graves problemas ambientais e de direitos humanos.

Na República Democrática do Congo, que fornece mais de metade do cobalto do mundo, muitos mineiros são crianças.

Até agora, os cientistas têm tentado utilizar outros elementos, como o níquel e o magnésio, para substituir o cobalto nas baterias de iões de lítio, mas estas baterias têm taxas de auto-descarga ainda mais elevadas, que é quando as reações químicas internas da bateria reduzem a energia armazenada e degradam a sua capacidade ao longo do tempo.

Devido à auto-descarga, a maioria das baterias de veículos elétricos tem uma vida útil de sete a 10 anos antes de precisarem de ser substituídas.

Toney, que também é membro do Instituto de Energias Renováveis e Sustentáveis, e a sua equipa decidiram investigar a causa da auto-descarga.

Numa bateria de iões de lítio típica, os iões de lítio, que transportam cargas, deslocam-se de um lado da bateria, chamado ânodo, para o outro lado, chamado cátodo, através de um meio chamado eletrólito.

Durante este processo, o fluxo destes iões carregados forma uma corrente elétrica que alimenta os dispositivos eletrónicos. O carregamento da bateria inverte o fluxo dos iões carregados e devolve-os ao ânodo.

Anteriormente, os cientistas pensavam que as baterias se auto-descarregavam porque nem todos os iões de lítio regressavam ao ânodo durante o carregamento, reduzindo o número de iões carregados disponíveis para formar a corrente e fornecer energia.

Através da Advanced Photon Source, uma potente máquina de raios X, no Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA, no Ilinois, a equipa de investigação descobriu que as moléculas de hidrogénio de eletrólito da bateria se deslocavam para o cátodo e ocupavam os lugares a que os iões de lítio normalmente se ligavam.

Como resultado, os iões de lítio têm menos lugares para se ligarem no cátodo, enfraquecendo a corrente elétrica e diminuindo a capacidade da bateria.

Os fabricantes de veículos elétricos enfrentam uma série de desafios, incluindo uma autonomia limitada, custos de produção mais elevados e uma vida útil da bateria mais curta do que a dos veículos convencionais.

Toney afirmou que o novo estudo tem o potencial de resolver todas estas questões. “Todos os consumidores querem carros com uma grande autonomia de condução. Algumas destas baterias com baixo teor de cobalto podem potencialmente proporcionar uma maior autonomia de condução, mas também precisamos de garantir que não se desintegram num curto espaço de tempo”.

Salientou, ainda, que a redução do cobalto também pode reduzir os custos e dar resposta às preocupações com os direitos humanos e a justiça energética.

Com uma melhor compreensão do mecanismo de auto-descarga, os engenheiros podem explorar algumas formas de evitar o processo, tais como revestir o cátodo com um material especial para bloquear as moléculas de hidrogénio ou utilizar um eletrólito diferente.

“Agora que compreendemos o que está a causar a degradação das baterias, podemos informar a comunidade química das baterias sobre o que precisa de ser melhorado na sua conceção”, concluiu Toney.