Há um caminho para baterias melhores. Produzidas sem sofrimento humano e destruição ambiental
As células de lítio-enxofre podem fornecer várias vezes mais energia no mesmo volume que as de íons de lítio. No entanto, elas tinham um problema fundamental: sua curta vida útil. Parece que esse problema foi resolvido. Isso pode trazer alívio para milhões de pessoas e animais.
Quem não gostaria de carregar seu smartphone apenas uma vez por semana?
As células de íon-lítio comumente usadas na maioria dos dispositivos atuais têm uma capacidade que varia de 150 a 260 watts-hora por quilograma (Wh/kg). Há também células de lítio-enxofre, que têm uma capacidade muito maior, cerca de 550 watts-hora por quilograma.
Com o mesmo peso, uma bateria de lítio-enxofre dura de duas a três vezes mais do que uma de íons de lítio. Ela também custa cerca de metade do preço porque usa enxofre muito mais barato em vez do cobalto relativamente caro encontrado nas baterias de íon-lítio.
O lítio e o enxofre são elementos leves o suficiente para que essas células também sejam muito leves – duas vezes e meia mais leves do que as mais leves de íon-lítio.
O peso dessas últimas pode não ser um problema no caso de um smartphone (embora todos prefiram baterias mais leves em vez de mais pesadas), mas baterias leves seriam muito úteis em carros elétricos, que são muito mais pesados do que os carros com motor a combustão atualmente. A bateria média de um carro elétrico pesa a partir de 450 quilogramas (às vezes chegando a quase uma tonelada), aumentando significativamente a massa do veículo.
O problema com as correntes (de enxofre)
Já que as células de lítio-enxofre têm tantas vantagens, por que elas ainda não estão em toda parte? Infelizmente, elas sofrem de uma falha fundamental: uma vida útil muito mais curta.
As células de íon-lítio comumente usadas hoje em dia duram cerca de 2.000 ciclos de carga. As células de lítio-enxofre têm uma vida útil muito mais curta, cerca de 1.000 ciclos de carga.
A fonte desse problema são as cadeias de polissulfetos de lítio que se formam durante cada carga, que simplesmente entopem essas baterias. Muitos métodos foram tentados para aumentar a vida útil dessas células, mas cada um deles tinha suas desvantagens.
Os engenheiros da Universidade Monash, da Austrália, afirmam ter encontrado uma solução. Eles desenvolveram um projeto de ânodo (em células e baterias, esse é o eletrodo negativo) que aumenta significativamente a vida útil das baterias de lítio-enxofre.
O ânodo em sua célula é uma fina camada de lítio coberta por um filme especial com poros do tamanho de milionésimos de metro. Como os inventores explicam, os íons de lítio podem penetrar livremente através deles, mas os íons de enxofre maiores não podem.
Chegou a hora das células de lítio-enxofre?
Será que isso significa que a tão esperada descoberta e as baterias de lítio-enxofre conquistarão o mercado? É aconselhável que você seja cauteloso. Esta não é a primeira vez que cientistas em laboratórios anunciam que conseguiram prolongar a vida útil dessas células.
As células de lítio-enxofre não são uma invenção nova(patente americana)
Diagrama do princípio de funcionamento da bateria de lítio-enxofre
S8+16e-+16Li+→8Li2S
A seguir, a equação de reação de uma série de íons de polissulfeto:
S8→Li2S8→Li2S6→Li2S4→Li2S2→Li2S
No entanto, as primeiras células de lítio-enxofre com vida útil de mil ciclos de carga só foram construídas no início dos anos 2000. Em 2017, foi possível atingir uma vida útil de 1.500 ciclos – ainda menor que a do íon de lítio, mas próxima. Em 2022, pesquisadores da Drexel University afirmaram que, usando uma das formas de enxofre (seus alótropos), era possível atingir até 4.000 ciclos de carga.
Isso é o dobro das células de íons de lítio. Quem não gostaria de ter baterias mais baratas, mais leves, mais espaçosas e mais duráveis… No entanto, essas baterias ainda não estão no mercado. Por quê?
Um dos motivos é a dificuldade de desenvolver uma tecnologia que permita a produção dessas células em grande escala. O fato de algo ser bem-sucedido em laboratório não significa que seja fácil de ser produzido em uma fábrica. O aumento da escala da tecnologia de alguns protótipos para centenas de milhares de unidades também leva muito tempo. Eles também esperaram muito tempo. E receberam um Prêmio Nobel
Não há nada de particularmente estranho nessa espera pelo progresso. As baterias de íon-lítio, que são tão comuns hoje em dia, também ficaram nos laboratórios de químicos e engenheiros por muito tempo, mas tiveram um pouco mais de sorte.
Elas também tiveram suas origens na década de 1960. Um quarto de século se passou e, em meados da década de 1980, descobriu-se que sua eficiência era bastante aprimorada pelo coque de petróleo (mais tarde substituído pelo grafite). Mais uma década se passou quando se descobriu que sua durabilidade era melhorada pelo carbonato de etileno (um eletrólito que é sólido à temperatura ambiente).
Só então, no final do século passado, começou a revolução que permitiu alimentar smartphones e carros elétricos. Por isso, os criadores dessas baterias, John B. Goodenough, M. Stanley Whittingham e Akira Yoshino, receberam o Prêmio Nobel de Química em 2019.
Se for possível começar a produzir células de lítio-enxofre em escala industrial, essa revolução será acelerada. Uma bateria carregada em um smartphone durará três dias (quem sabe, talvez até quatro). As baterias de veículos elétricos poderão ter seu peso reduzido pela metade e ainda assim alcançar o dobro da autonomia. Será possível armazenar mais energia solar e eólica, o que seria muito necessário para o mundo.
O meio ambiente e as pessoas que extraem o cobalto também respirarão aliviados. Nas baterias de íon-lítio, o cobalto é essencial. A maior parte dele é extraída na bacia do Congo, na África.
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Uma revolução, infelizmente não sem sangue
Nas florestas tropicais da bacia do Congo, a Amazônia da África, vivem mais de mil espécies de pássaros, 700 espécies de peixes e 400 mamíferos. É um habitat único para elefantes, hipopótamos, gorilas das montanhas e a maior população de chimpanzés.
Infelizmente para eles, essas terras são muito ricas em metais raros e valiosos, incluindo o cobalto, essencial para nossas baterias. As florestas são desmatadas para as minas, e os animais perdem seu habitat natural.
O desenvolvimento da mineração de metais na bacia do Congo também levou a guerras sangrentas em Ruanda, Uganda, Angola e, a mais longa, na parte oriental da República Democrática do Congo, que vem ocorrendo desde a década de 1990 e é chamada de“Guerra Mundial Africana“.
Produção de cobalto no Congo
A luta entre exércitos e guerrilheiros pelo acesso a depósitos de minérios metálicos valiosos e raros já causou (diretamente ou devido à fome) mais de 5 milhões de mortes. Outros dois milhões foram forçados a deixar suas casas. Dezenas de milhares de refugiados, inclusive crianças, trabalham nas minas. Alguns por falta de meios para viver, outros sob a mira de armas.
Esse é, com muita frequência, o preço pago silenciosamente por todos os eletrônicos modernos, especialmente aqueles alimentados por baterias.
As células de lítio-enxofre poderiam acabar com essa violência e destruição porque o cobalto não é necessário nelas. O mundo precisaria muito delas.
Fontes:
- https://ourworldindata.org/
- https://oko.press/lepsze-baterie-litowo-siarkowe
- https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/2019/summary/
- https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/lithium-sulfur-batteries
