Reportagem

A fruta mais mal cheirosa do mundo pode ajudar a gerar energia para o seu telefone

Elas são o coração da tecnologia portátil moderna. As baterias de íon de lítio transformaram a nossa capacidade de armazenar e transportar energia e, por sua vez, revolucionaram os dispositivos que usamos.

Comercializadas pela Sony em 1991, quando a empresa buscava uma solução para a duração limitada da bateria das suas câmaras de vídeo portáteis, elas fornecem energia a muitos dos gadgets que usamos hoje - de smartphones e laptops a escovas de dente eléctricas e aspiradores de pó de mão. No fim do ano passado, os três cientistas por trás da sua invenção ganharam o Prémio Nobel de Química, por possibilitar essa revolução técnica.

E a nossa necessidade por elas só tende a crescer. Os veículos eléctricos dependem de baterias de íon-lítio como um substituto para os combustíveis fósseis que usamos actualmente para abastecer os carros. Como as fontes de energia renováveis constituem a maior parte do suprimento de electricidade em todo o mundo, é provável que sejam necessários enormes bancos de baterias para armazenar o excesso de energia, quando o vento não sopra ou o Sol não está a brilhar.

No mundo, mais de 7 biliões de baterias de íon-lítio são vendidas por ano e espera-se que esse número cresça para mais de 15 biliões até 2027. Mas, como sabemos pelos nossos telefones, que armazenam cada vez menos energia à medida que envelhecem, as baterias de íon de lítio apresentam limitações. Com o tempo, a capacidade de reter carga diminui, o que significa que armazenam menos energia.

Em climas extremamente quentes ou frios, o seu desempenho também cai. E existem preocupações em torno da sua segurança e sustentabilidade - podem pegar fogo e explodir sob certas condições, enquanto a mineração dos metais necessários para fabricá-las tem um alto custo social e ambiental.

Isso vem estimulando cientistas de todo o mundo a tentar desenvolver novos tipos de bateria que possam superar esses obstáculos. Ao aproveitar uma variedade de materiais, de diamantes a frutas super mal cheirosas, esperam encontrar novas maneiras de impulsionar as tecnologias do futuro.

As baterias de íon-lítio funcionam permitindo que partículas (íons) de lítio carregadas movam electricidade de uma extremidade à outra, passando por um electrólito líquido no meio. Uma das coisas que torna as baterias de íon de lítio tão atraentes é a sua "densidade de energia" - a energia máxima que uma bateria pode armazenar proporcionalmente ao seu volume - que é uma das mais altas de qualquer bateria disponível comercialmente no mercado. Elas também podem fornecer tensões mais altas do que outras tecnologias de bateria.

As baterias são essencialmente feitas de três componentes principais - um eléctrodo negativo (ânodo), um eléctrodo positivo (cátodo) e um electrólito entre eles. As funções dos eléctrodos alternam entre cátodo e ânodo, dependendo se a bateria está a carregar ou a descarregar.

Em baterias de íon de lítio, o cátodo é normalmente feito de um óxido de metal e outro metal. Ao carregar, os íons de lítio e electrões movem-se do cátodo para o ânodo, onde são "armazenados" como potencial electroquímico. Isso ocorre por meio de uma série de reacções químicas no electrólito que são accionadas pela energia eléctrica que flui do circuito de carga.

Quando uma bateria está em uso, os íons de lítio fluem na direcção oposta do ânodo para o cátodo, através do electrólito, enquanto os electrões fluem através do circuito eléctrico do dispositivo em que a bateria está instalada, fornecendo energia.

Ao longo dos anos, ajustes nos materiais usados no cátodo e no ânodo ajudaram a melhorar a capacidade e a densidade de energia das baterias de íons de lítio, mas as melhorias mais substanciais foram na queda do custo das baterias.

"Chegou a um ponto em que a química desenvolvida 35 anos atrás estabilizou-se", diz Mauro Pasta, professor-associado de materiais da Universidade de Oxford, no Reino Unido, e líder de projecto na The Faraday Institution, que está a trabalhar na próxima fase das baterias de íon-lítio.

O objectivo é aumentar a densidade de energia das baterias de íon de lítio e, ao mesmo tempo, ampliar a sua eficiência, para que não percam energia com cargas e descargas repetidas.

Para fazer isso, o professor Pasta está focado em substituir o fluido electrolítico altamente inflamável, encontrado em baterias de íon-lítio modernas, por um sólido feito de cerâmica. O uso de um sólido reduz o risco de combustão de electrólitos no caso de uma célula curta ou instável, que esteve por trás da recolha, em 2017, pela Samsung, de 2,5 milhões de Galaxy Note 7s, após uma série de incêndios por problemas na bateria.

Isso é importante para a segurança do usuário e do que o rodeia, pois até mesmo o electrólito de gel de polímero encontrado na maioria dos nossos electrónicos portáteis ainda é inflamável.

Essa bateria de estado sólido também possibilita o uso de metal de lítio denso em vez do ânodo de grafite, o que aumenta significativamente a quantidade de energia que pode armazenar no processo. Neste sentido, pode ter implicações enormes no futuro dos automóveis.

No momento, todo o veículo eléctrico contém o equivalente a milhares de baterias de iPhone. Como os veículos eléctricos parecem destinados a substituir aqueles movidos a combustíveis fósseis em muitos países, nos próximos anos, a mudança para baterias de estado sólido significaria viagens mais longas e mais tempo entre as recargas.

A nossa necessidade por bateria só tende a crescer nos próximos anos, ao passo que cada vez mais meios de transporte tornam-se eléctricos e a variedade de parafernálias electrónicas portáteis nas nossas vidas só aumenta. Assim, devemos procurar alternativas ao lítio que possam diminuir o impacto no meio ambiente?

A região do "Triângulo de Lítio" dos Andes - que inclui partes da Argentina, Bolívia e Chile - contém pouco mais da metade dos recursos naturais mundiais do metal. Mas extraí-lo requer água - muita água. Na região do Salar de Atacama, no Chile, cerca de 1 milhão de litros de água são usados no processo de mineração, para produzir apenas 900 kg de lítio. O processo envolve a purificação dos sais ricos em metais, dissolvendo-os progressivamente em água, filtrando e evaporando a salmoura até que o sal de lítio puro seja obtido. Órgãos ambientais administrados pelo Governo chileno, no entanto, alertaram que a mineração de metais - principalmente de lítio e cobre - na região está a gastar mais água do que é substituída pela neve e chuva.

Para contornar a situação, pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe estão a trabalhar em baterias que usam diferentes metais no ânodo, como cálcio ou magnésio. O cálcio é o quinto elemento mais abundante na crosta terrestre e é improvável que sofra dos mesmos problemas de abastecimento que o lítio, mas as pesquisas para melhorar o desempenho das baterias que o utilizam ainda estão a iniciar. O magnésio também apresenta resultados iniciais promissores, principalmente em termos de densidade energética, e há planos de comercialização no futuro.


A madeira, como alternativa

Mas há quem esteja à busca de alternativas em materiais mais amplamente disponíveis, incluindo a madeira, por exemplo. Liangbing Hu, director do Centro de Inovação de Materiais da Universidade de Maryland, nos Estados Unidos, construiu recentemente uma bateria usando pedaços de madeira porosos e furados como elétrodos, dentro dos quais íons metálicos reagem para gerar uma carga eléctrica. A madeira é abundante, de baixo custo e leve, e apresenta alto potencial de desempenho em baterias. As baterias mais recentes foram produzidas após anos de pesquisa sobre a capacidade desse material de armazenar energia, incluindo o revestimento de fibras de celulose de madeira em estanho.

Como a madeira evoluiu naturalmente para ser permeável aos nutrientes, conforme são transportados pela planta, o material faz eléctrodos com a capacidade de armazenar íons de metal sem o risco de se expandir ou encolher perigosamente, como pode ocorrer com os eléctrodos de bateria de íon de lítio.

Embora a equipa de Hu preveja que as baterias à base de madeira vão poder ser usadas nos nossos electrónicos portáteis, bem como no armazenamento de energia em grande escala, em determinado momento, ainda não poderemos carregar os nossos laptops com elas, pois estão a ser testadas em laboratórios.

Essas baterias perdem a capacidade de armazenar uma carga relativamente rápida - um protótipo só conseguia manter 61% da sua capacidade inicial após 100 ciclos de recarga. No momento, a quantidade de madeira usada é de vários centímetros de largura e comprimento, e as baterias podem ser empilhadas ou conectadas para aplicações em larga escala, o que pode eventualmente ser útil para armazenar energia em casas ou outros edifícios.

Uso de menores

O lítio não é o único metal encontrado na maioria das baterias modernas – grande parte também usa cobalto em combinação com lítio no cátodo. A mineração de cobalto gera um impacto tóxico que afecta a saúde das comunidades que vivem ao redor das minas e do meio ambiente. A mineração de cobalto também é prejudicada pelo uso de trabalho infantil, especialmente na República Democrática do Congo, país que abriga mais da metade das minas de cobalto do mundo. As principais empresas de tecnologia, incluindo Apple, Tesla e Microsoft, foram recentemente processadas por mortes na mineração de cobalto.

“Todo o mundo está a carregar uma bateria de íon de lítio extraída por crianças”, diz Jodie Lutkenhaus, engenheira química da Texas A&M University, nos Estados Unidos.

A preocupação inspirou-a a desenvolver alternativas para essas “baterias de sangue”, usando proteínas, as moléculas complexas criadas e usadas por organismos vivos. Os ânodos das baterias tendem a ser feitos de grafite e os cátodos de óxidos de metal que contêm elementos como o cobalto. Se eles puderem ser substituídos por materiais orgânicos para ambos os eléctrodos activos, isso significa que o cobalto já não precisará de ser extraído.

Isso não apenas descarta a necessidade de metais tóxicos que precisam de ser extraídos do solo, mas também lança luz sobre outro legado ambiental das baterias de íon-lítio. Se eliminados após o uso em aterros sanitários, os metais e electrólitos do íon de lítio podem vazar para o meio ambiente, causando mais danos. Actualmente, apenas cerca de 5% das baterias de íon-lítio usadas nos 1,5 bilhão de smartphones vendidos a cada ano são recicladas.

Desenvolvida em colaboração com a colega Karen Wooley, na Texas A&M University, a bateria de proteína de Lutkenhaus é a primeira célula de energia do mundo que se degrada a partir da sua dissolução em um ácido, o que significa que pode ser facilmente quebrada e usada novamente.

Embora ainda não possa competir com o íon de lítio - só fornece até 1,5 V por cerca de 50 ciclos de recarga antes de perder potência - faz parte de uma série de iniciativas sobre como a sustentabilidade está a ser levada em conta para o design de novas baterias.


Supercapacitodores Uso de frutas mal cheirosas

Num outro desdobramento, um grupo de pesquisadores não está apenas a tentar encontrar novas formas de fornecer energia aos nossos dispositivos, mas também de lidar com o problema do desperdício de alimentos ao mesmo tempo.

Vincent Gomes, engenheiro químico da Universidade de Sydney, e a sua equipa, incluindo Labna Shabnam, estão a transformar os resíduos da fruta mais fedorenta do mundo, o durião, e da maior fruta do mundo, a jaca, em um supercapacitor que pode carregar telefones celulares, tablets e laptops em minutos.

Os supercapacitores são uma forma alternativa de armazenamento de energia. Agem como reservatórios, capazes de carregar rapidamente e, em seguida, descarregar energia em rajadas. Eles tendem a ser feitos de materiais caros como o grafeno, mas a equipa de Gomes transformou partes não comestíveis de durião e da jaca em aerogéis de carbono - sólidos superleves porosos - com propriedades “excepcionais” de armazenamento natural de energia. Eles aqueceram, liofilizaram e depois assaram o núcleo esponjoso não comestível de cada fruta num forno a temperaturas de mais de 1.500 °C. As estruturas pretas, altamente porosas e ultraleves que resultaram desse processo poderiam ser transformadas em eléctrodos de um supercapacitor de baixo custo.

Os supercapacitores podem ser carregados em 30 segundos e usados para alimentar uma variedade de dispositivos. “Ser capaz de carregar um telefone celular num minuto é incrível”, diz Shabnam.

O sonho dos pesquisadores é usar esses supercapacitores sustentáveis para armazenar eletricidade de fontes renováveis de energia para uso em veículos e residências. E isso antes de considerar os benefícios de encontrar um uso verde para o durião, já que mais de 70% dessas frutas tendem a ser deitadas fora.

Em 2018, o mau cheiro impediu temporariamente a decolagem de um avião na Indonésia. Também levou a uma evacuação em massa de uma biblioteca da Universidade de Canberra, na Austrália, no ano passado. Nos estágios iniciais da pesquisa, o fedor tornou-se um desafio para a mulher de Gomes, que retirou todos os restos da fruta fedorenta do congelador depois de apenas uma noite.

Outros tipos de resíduos de plantas também podem ser usados para alimentar os dispositivos do futuro. Mikhail Astakhov, físico químico da Universidade Nacional de Ciência e Tecnologia (MISiS), em Moscovo, na Rússia, transformou a hogweed, uma erva daninha de seiva tóxica que pode provocar bolhas, quando em contacto com a pele humana, numa matéria-prima para um supercapacitor tecnicamente capaz de carregar um telefone.


Uso futuro

As baterias são para sempre

Embora o impacto ambiental das baterias de íon-lítio concentre as atenções da comunidade científica, outros pesquisadores vêm se dedicando a enfrentar outras limitações desse dispositivo.

Tom Scott, professor de materiais da Universidade de Bristol, no Reino Unido, diz não acreditar que as baterias de íon-lítio vão perder espaço no seu uso convencional no próximo século. Mas, segundo ele, existem oportunidades quando se trata de armazenar energia em ambientes mais extremos.

Com a sua equipa, Scott tem desenvolvido baterias feitas de diamantes. Ao produzir diamantes artificiais que contêm carbono-14 radioactivo, os pesquisadores conseguiram criar “baterias betavoltaicas”, que produzem uma corrente constante e podem durar milhares de anos.

Presos dentro da rede de diamante, os isótopos radioactivos disparam elétrons de energia superalta à medida que sofrem decaimento nuclear. Isso, por sua vez, cria uma chuva de electrões através da estrutura do diamante, que pode ser aproveitada para produzir uma corrente eléctrica. Do lado de fora, a radioatividade permaneceria em níveis seguros, dizem os pesquisadores.

A equipa já criou um protótipo de “bateria de diamante”, usando diamantes artificiais colocados dentro de um campo radioactivo produzido pelo isótopo Níquel-63, que dispara um fluxo de electrões através do diamante. Mas agora, estão a trabalhar numa versão que usa carbono-14 extraído de blocos de grafite usados em centrais nucleares. Ao transformar esse lixo nuclear numa bateria de longa duração, Scott e colegas esperam dar um novo uso ao resíduo dessas centrais, à medida que elas são desactivadas.

“Trata-se de uma reviravolta”, diz Sophie Osbourne, que integra a equipa de Scott. “Por muito tempo, recolhemos lixo nuclear e agora já não estamos a falar sobre armazenamento de longo prazo, mas em reaproveitá-lo para produzir electricidade.”

Apesar de as baterias químicas como o íon-lítio não terem bom desempenho em altas temperaturas, as de diamante podem funcionar em ambientes mais extremos, onde não faltam alternativas, como no espaço, no fundo do mar ou talvez no topo de um vulcão. Seriam perfeitas para manter satélites e sensores computadorizados a funcionar, por exemplo.

“As baterias são absolutamente minúsculas”, diz Scott. Até agora, os pesquisadores conseguiram gerar baterias de diamante que produzem 1,8 volts - semelhante a uma bateria AA - embora tenha uma corrente muito mais baixa. Elas também são tecnicamente recarregáveis, mas exigiriam algumas horas dentro de um núcleo de reator para atingir a potência original, diz Scott.

Embora o fluxo constante de corrente criado à medida que o material radioactivo decai significa que elas irão emitir electricidade por um tempo incrivelmente longo - o carbono tem meia-vida de 5.730 anos, acrescentam os pesquisadores.

Apesar de serem feitas de diamante, é improvável que, uma vez comercializadas, essas baterias sejam caras, diz Scott. “Você ficaria surpreso com quão pouco os diamantes artificiais podem custar”.

Nas próximas duas décadas, Scott diz acreditar que poderíamos até mesmo começar a ver baterias de diamante de ultra-longa duração aparecerem-nos em casa, talvez em detectores de fumaça ou controles remotos de TV, ou em dispositivos médicos, como aparelhos auditivos ou marca-passos.