Prêmio Nobel de Química vai ao desenvolvimento de baterias de lítio

Esta bateria de íons de lítio que alimenta carros elétricos é um dos muitos produtos comerciais possibilitados pela pesquisa homenageada pela química Nobel deste ano

Você provavelmente tem evidências de um Prêmio Nobel no seu bolso. O Prêmio Nobel de Química deste ano vai para os pioneiros da bateria de íons de lítio, uma invenção que se tornou onipresente na eletrônica sem fio que alimenta a vida moderna: seu telefone, seu laptop e às vezes até seu carro. Mais leves e mais compactas do que as baterias de chumbo e níquel-cádmio do passado, as baterias de íon-lítio, com mais ajustes, poderiam fornecer um caminho para armazenar energia para alimentar casas, aviões - e até a rede elétrica.

O prêmio de US $ 900.000 é dividido entre três cientistas: Stanley Whittingham, da Binghamton University, parte do sistema da Universidade Estadual de Nova York; John Goodenough, da Universidade do Texas em Austin; e Akira Yoshino da Asahi Kasei Corporation em Tóquio. Goodenough, 97, é o ganhador mais antigo de sempre do Prêmio Nobel.

"Esta bateria teve um impacto dramático em nossa sociedade", disse Olof Ramström, químico da Universidade de Massachusetts em Lowell, durante o anúncio do prêmio.

Como todas as baterias de íons líquidos, as baterias de íon de lítio contêm dois eletrodos - um ânodo e um cátodo - separados por um eletrólito líquido que permite que os íons se movimentem para frente e para trás. Durante a descarga, os estoques de átomos de lítio no ânodo liberam elétrons para gerar uma corrente para um circuito externo. Os íons de lítio carregados positivamente resultantes fluem para o eletrólito, enquanto os elétrons retornam do trabalho para o cátodo, onde são absorvidos, tipicamente por materiais de óxido de metal. Os íons de lítio se espalham até os átomos de metal no cátodo. O carregamento reverte o fluxo, empurrando os íons de lítio para romper com os átomos de metal e retornar ao ânodo. 

Na década de 1970, Whittingham foi um dos primeiros a perceber o potencial do lítio, um metal elementar que possui um elétron "solto" em sua camada atômica mais externa e o desiste facilmente. Mas isso também torna o lítio altamente reativo: ele incendeia - e às vezes explode - quando exposto até à água no ar. Trabalhando na Exxon, Whittingham descobriu que o dissulfeto de titânio funcionaria bem como um cátodo: os íons de lítio podiam se incorporar à sua estrutura em camadas. Em 1976, Whittingham demonstrou uma bateria de 2,5 volts funcionando. Mas, à medida que passava por vários ciclos de carregamento, tentáculos de batedor ou dendritos, de lítio cresciam através do eletrólito. Quando chegaram ao cátodo, a bateria entrou em curto-circuito - às vezes causando incêndios. 

Goodenough, então na Universidade de Oxford, no Reino Unido, assumiu a tarefa. Ele percebeu que o cátodo poderia absorver mais elétrons retornados se fosse feito de óxido de metal em vez de sulfeto de metal. Esses compostos também foram em camadas e não se expandiram ou contraíram significativamente ao absorver ou liberar íons de lítio. Ele descobriu que o óxido de cobalto funcionava bem e, em 1980, publicou resultados para uma bateria de 4 volts, quase duas vezes mais potente que a de Whittingham. 

Pesquisadores no Japão estavam à procura de baterias que pudessem alimentar dispositivos sem fio cada vez menores (o Walkman da Sony estreou em 1979). Yoshino fez uma enorme contribuição: ele encontrou uma maneira de criar um ânodo que não era feito de lítio puro, com sua suscetibilidade a dendritos em crescimento. Depois de experimentar diferentes materiais, ele descobriu que poderia incorporar os íons de lítio em camadas de carbono no coque de petróleo, um bioproduto da indústria de petróleo. A bateria de Yoshino correspondia ao desempenho de Goodenough, mas era muito mais segura e poderia sobreviver a centenas de ciclos de carregamento. Em 1991, uma empresa japonesa começou a vender as primeiras baterias comerciais de íons de lítio. 

Através do trabalho dos premiados, "ganhamos acesso a uma revolução tecnológica: a eletrônica verdadeiramente portátil", disse Sara Snogerup Linse, da Universidade de Lund, na Suécia.

Os pesquisadores continuam a mexer nas receitas químicas do ânodo, cátodo e eletrólito para aumentar a duração e a durabilidade da bateria. Hoje, os íons de lítio são normalmente mantidos dentro de uma estrutura anódica de grafite, mas alguns pesquisadores estão trabalhando em ânodos feitos de silício , que podem conter muito mais íons lítio. Outros estão estudando diferentes materiais catódicos. O enxofre é promissor porque é mais barato que os óxidos de metal e pode reter mais elétrons - se apenas os pesquisadores puderem impedir que o enxofre reaja com os íons de lítio. Pensa-se que as baterias de lítio-ar, que dependem do oxigênio ambiente para oxidar o lítio no cátodo, sejam outra solução promissora . 

"Não é o fim da jornada, pois o lítio é um recurso finito e muitos cientistas ao redor do mundo estão construindo as bases estabelecidas por esses três químicos brilhantes", disse Carol Robinson, química da Universidade de Oxford e presidente da Royal Sociedade de Química em Londres.

Se os cientistas encontrarem o equilíbrio certo de capacidade, custo, tamanho e peso, alguns pensam que esses futuros tipos de baterias de lítio poderiam formar a base de uma rede elétrica verde, fornecendo armazenamento de energia para absorver energia solar e eólica quando renováveis as fontes estão atingindo o pico - e liberando energia quando a noite cai e os ventos diminuem. "Acho que essa provavelmente será a maior contribuição para o problema ambiental" da sustentabilidade, disse Yoshino em entrevista coletiva hoje.

Fonte: Science