Pesquisadores do CINE e colaboradores desenvolveram um material capaz de melhorar o desempenho de baterias e supercapacitores baseados em íons de sódio – promissora alternativa à tecnologia de íons de lítio, que atualmente é a mais usada.

Nessas tecnologias, os íons de lítio ou de sódio são protagonistas, pois são os encarregados de transportar e estocar elétrons durante os processos de carga (armazenamento de energia) e descarga (entrega de energia). Dado que, nesses processos, os íons penetram a estrutura do material dos eletrodos, é importante que eles sejam pequenos. Nesse ponto, o lítio é campeão, sendo o menor íon em estado sólido da tabela periódica. O sódio também está entre os íons menores, mas a sua principal vantagem é a abundância e a boa distribuição desse elemento no planeta, tanto na crosta terrestre quanto, principalmente, no mar. No caso do lítio, as reservas são menos abundantes e se concentram em poucos países.

“Em nosso trabalho desenvolvemos dispositivos que funcionam com íons de sódio – uma tecnologia cuja viabilidade econômica é muito mais interessante do que a de íons de lítio e que poderia ser fabricada em muitos países, inclusive o Brasil”, diz o professor Hudson Zanin (UNICAMP), pesquisador do programa Armazenamento Avançado de Energia do CINE.

Essa tecnologia, porém, ainda não está pronta para comercialização, e um dos motivos principais é o fato de que a velocidade de inserção dos íons nos eletrodos e a sua saída deles é mais lenta devido ao maior tamanho dos íons. Por isso, o desenvolvimento de eletrodos que aumentem essa velocidade é um dos desafios principais para viabilizar a tecnologia baseada em sódio.

Em artigo recentemente publicado no periódico Journal of Energy Storage, Zanin e os outros autores apresentam um novo material, formado por nanotubos de carbono com nanopartículas de pentóxido de nióbio (NbO5), para os eletrodos desses dispositivos. A equipe estudou o desempenho desse material como eletrodo de uma bateria e de um supercapacitor de íons de sódio.

Os resultados dos experimentos e das simulações computacionais mostraram que o eletrodo funcionou muito bem nos principais mecanismos de armazenamento de cargas desses dispositivos: a intercalação e a adsorção. Os autores observaram que os íons de sódio se intercalaram no pentóxido de nióbio em velocidade ultrarrápida e que foram bem adsorvidos por eletrostática na grande área superficial dos nanotubos de carbono. Em consequência, a capacitância dos dispositivos (a sua habilidade de coletar e armazenar cargas elétricas) aumentou significativamente com relação ao eletrodo convencional de nanotubos sem nanopartículas.

O estudo foi realizado dentro do doutorado em Engenharia Elétrica de Carla Real, que está em andamento na UNICAMP com orientação do professor Zanin, e contou com a colaboração de pesquisadores da Kansas State University (EUA) na produção e caracterização da bateria de sódio. Também participaram do trabalho pesquisadores da Universidade Federal do Mato Grosso (UFMT) e da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri (UFVJM), que ajudaram a compreender os fenômenos eletroquímicos fundamentais que ocorriam nos dispositivos.

Financiaram a pesquisa a FAPESP, Shell, CNPq e Capes, e a ANP forneceu suporte estratégico.

Referência do artigo científico: Freestanding niobium pentoxide-decorated multiwalled carbon nanotube electrode: Charge storage mechanism in sodium-ion pseudocapacitor and battery. Carla G. Real, Ericson H. N. S. Thaines, Leandro A. Pocrifka, Renato G. Freitas, Gurpreet Singh, Hudson Zanin. Journal of Energy Storage. Volume 52, Part B, 15 August 2022, 104793. https://doi.org/10.1016/j.est.2022.104793.

Autores do artigo que são membros do CINE: Carla Real (doutoranda na UNICAMP), Renato Freitas (professor da UFMT) e Hudson Zanin (professor da UNICAMP).