Baterias estruturais construídas com estrutura da cartilagem

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/03/2019

A bateria estrutural foi testada exaustivamente, incluindo quedas e perfurações. [Imagem: ACS]

Bateria estrutural

Seus joelhos e a bateria do seu celular têm algumas necessidades surpreendentemente semelhantes.

A prova disso é que uma técnica de fabricação de uma bateria estrutural incorporando um material semelhante à cartilagem tem potencial para tornar as baterias altamente duráveis e mais fáceis de moldar.

O protótipo foi construído por Mingqiang Wang e seus colegas da Universidade de Michigan, nos EUA.

A ideia por trás das baterias estruturais é armazenar energia em componentes que fazem parte do corpo de um objeto - a asa de um drone ou o pára-choque de um veículo elétrico, por exemplo. Elas são vantajosas porque podem reduzir o peso do veículo e ampliar sua autonomia.

Como as baterias estruturais até agora têm tipicamente se mostrado pesadas, de curta duração ou inseguras, Wang e seus colegas foram buscar inspiração no corpo humano.

Bateria com estrutura de cartilagem

O protótipo é uma bateria recarregável de zinco, resistente a danos, com um eletrólito sólido semelhante à cartilagem. Ele funcionou por mais de 100 ciclos com perda de capacidade de apenas 10%, além de resistir a impactos fortes e até perfurações, sem perder tensão ou iniciar um incêndio.

"Uma bateria que também é um componente estrutural tem que ser leve, forte, segura e ter alta capacidade. Infelizmente, esses requisitos são mutuamente exclusivos," contextualizou o professor Nicholas Kotov, cuja equipe já havia criado uma bateria à prova de balas que não explode quando atingida.

Para vencer esses desafios, a equipe usou o zinco - um material estrutural típico - e nanofibras ramificadas que se assemelham às fibras de colágeno da cartilagem.

"A natureza não tem baterias de zinco, mas ela teve que resolver um problema semelhante," explicou Kotov. "Acontece que a cartilagem é um protótipo perfeito para um material de transporte de íons em baterias. Ela tem uma mecânica incrível, e nos serve por um longo tempo comparado a quão fina ela é. As mesmas qualidades são necessárias para os eletrólitos sólidos separando catodos e anodos em baterias."

A bateria pode ser moldada para se ajustar ao formato da peça onde será inserida. [Imagem: Evan Dougherty]

Dendritos

No nosso corpo, a cartilagem combina força mecânica e durabilidade com a capacidade de deixar água, nutrientes e outros materiais se moverem através dela. Essas qualidades são quase idênticas às de um bom eletrólito sólido, que tem que resistir a danos causados por dendritos - pequenas ramificações metálicas que crescem e podem colocar a bateria em curto -, ao mesmo tempo que permite que os íons fluam de um eletrodo para o outro.

Para evitar a propensão do zinco em formar dendritos, a equipe desenvolveu uma membrana que transporta os íons de zinco entre os eletrodos, mas também impede que os dendritos perfurem o zinco. Como a cartilagem, as membranas são compostas de nanofibras ultralongas entrelaçadas com um material mais macio e que lida bem com os íons.

A equipe pretende agora explorar eletrodos que possam melhorar a velocidade e a longevidade das baterias recarregáveis de zinco, mas afirma que elas já poderiam ser usadas como fontes secundárias de energia.

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Bibliografia:

Biomimetic Solid-State Zn2+ Electrolyte for Corrugated Structural Batteries
Mingqiang Wang, Ahmet Emre, Siuon Tung, Alycia Gerber, Dandan Wang, Yudong Huang, Volkan Cecen, Nicholas A. Kotov
Applied Nano Materials
DOI: 10.1021/acsnano.8b05068