As baterias estão se aproximando do limite de energia que podem armazenar para um determinado peso. Isso representa um sério obstáculo para a inovação energética e a busca por novas maneiras de alimentar aviões, trens e navios. Agora, pesquisadores do MIT e de outros lugares encontraram uma solução que pode ajudar a eletrificar esses sistemas de transporte. Em vez de uma bateria, o novo conceito é um tipo de célula de combustível — semelhante a uma bateria, mas que pode ser reabastecida rapidamente em vez de recarregada. Nesse caso, o combustível é sódio metálico líquido, um produto barato e amplamente disponível. O outro lado da célula é apenas ar comum, que serve como fonte de átomos de oxigênio. Entre eles, uma camada de material cerâmico sólido serve como eletrólito, permitindo a livre passagem de íons de sódio, e um eletrodo poroso voltado para o ar ajuda o sódio a reagir quimicamente com o oxigênio e produzir eletricidade.
Em uma série de experimentos com um protótipo, os pesquisadores demonstraram que essa célula poderia transportar mais de três vezes mais energia por unidade de peso do que as baterias de íons de lítio usadas em praticamente todos os veículos elétricos atuais. Suas descobertas foram publicadas na revista Joule , em um artigo dos alunos de doutorado do MIT Karen Sugano, Sunil Mair e Saahir Ganti-Agrawal; do professor de ciência e engenharia de materiais Yet-Ming Chiang; e de outros cinco.
“Esperamos que as pessoas achem que esta é uma ideia totalmente maluca”, diz Chiang, professor de cerâmica da Kyocera. “Se não achassem, eu ficaria um pouco decepcionado, porque se as pessoas não acharem algo totalmente maluco logo de cara, provavelmente não será tão revolucionário.” E essa tecnologia parece ter o potencial de ser bastante revolucionária, ele sugere. Em particular, para a aviação, onde o peso é especialmente crucial, essa melhoria na densidade energética pode ser o avanço que finalmente tornará o voo elétrico viável em escala significativa.
“O limite realmente necessário para uma aviação elétrica realista é de cerca de 1.000 watts-hora por quilograma”, diz Chiang. As baterias de íons de lítio dos veículos elétricos atuais chegam a cerca de 300 watts-hora por quilograma — longe do necessário. Mesmo com 1.000 watts-hora por quilograma, ele diz, isso não seria suficiente para permitir voos transcontinentais ou transatlânticos. Isso ainda está além do alcance de qualquer química de bateria conhecida, mas Chiang diz que chegar a 1.000 watts por quilograma seria uma tecnologia capacitadora para a aviação elétrica regional, que responde por cerca de 80% dos voos domésticos e 30% das emissões da aviação.
A tecnologia também pode ser um facilitador para outros setores, incluindo o transporte marítimo e ferroviário. “Todos eles exigem altíssima densidade energética e baixo custo”, afirma. “E foi isso que nos atraiu para o sódio metálico.” Muitas pesquisas foram realizadas para desenvolver baterias de lítio-ar ou sódio-ar nas últimas três décadas, mas tem sido difícil torná-las totalmente recarregáveis. “As pessoas já sabiam da densidade de energia que se poderia obter com baterias de metal-ar há muito tempo, e isso era extremamente atraente, mas nunca foi concretizado na prática”, diz Chiang.
Utilizando o mesmo conceito eletroquímico básico, mas transformando-o em uma célula de combustível em vez de uma bateria, os pesquisadores conseguiram obter as vantagens da alta densidade energética de forma prática. Ao contrário de uma bateria, cujos materiais são montados uma única vez e selados em um recipiente, com uma célula de combustível os materiais que transportam energia entram e saem. A equipe produziu duas versões diferentes de um protótipo em escala de laboratório do sistema. Em um deles, chamado célula H, dois tubos de vidro verticais são conectados por um tubo no meio, que contém um material eletrolítico cerâmico sólido e um eletrodo de ar poroso. O sódio metálico líquido preenche o tubo de um lado e o ar flui pelo outro, fornecendo o oxigênio para a reação eletroquímica no centro, que acaba consumindo gradualmente o combustível de sódio. O outro protótipo usa um design horizontal, com uma bandeja de material eletrolítico contendo o combustível de sódio líquido. O eletrodo de ar poroso, que facilita a reação, é fixado na parte inferior da bandeja.
Testes usando um fluxo de ar com um nível de umidade cuidadosamente controlado produziram um nível de mais de 1.500 watts-hora por quilograma no nível de uma “chama” individual, o que se traduziria em mais de 1.000 watts-hora no nível do sistema completo, diz Chiang. Os pesquisadores imaginam que, para usar esse sistema em uma aeronave, pacotes de combustível contendo pilhas de células, como prateleiras de bandejas de comida em uma cafeteria, seriam inseridos nas células de combustível; o sódio metálico dentro desses pacotes é quimicamente transformado à medida que fornece energia. Um fluxo de seu subproduto químico é liberado e, no caso de aeronaves, este seria emitido pela parte traseira, de forma semelhante à exaustão de um motor a jato.
Mas há uma diferença muito grande: não haveria emissões de dióxido de carbono. Em vez disso, as emissões, que consistem em óxido de sódio, absorveriam dióxido de carbono da atmosfera. Esse composto se combinaria rapidamente com a umidade do ar para formar hidróxido de sódio — um material comumente usado como desentupidor de ralos — que se combina prontamente com o dióxido de carbono para formar um material sólido, o carbonato de sódio, que por sua vez forma o bicarbonato de sódio, também conhecido como bicarbonato de sódio.
“Há uma cascata natural de reações que acontece quando você começa com sódio metálico”, diz Chiang. “É tudo espontâneo. Não precisamos fazer nada para que isso aconteça, só precisamos pilotar o avião.” Como benefício adicional, se o produto final, o bicarbonato de sódio, acabar no oceano, ele pode ajudar a desacidificar a água, neutralizando outro dos efeitos nocivos dos gases de efeito estufa.
O uso de hidróxido de sódio para capturar dióxido de carbono foi proposto como forma de mitigar as emissões de carbono, mas, por si só, não é uma solução econômica, pois o composto é muito caro. “Mas aqui, é um subproduto”, explica Chiang, então é essencialmente gratuito, produzindo benefícios ambientais sem custo algum. É importante ressaltar que a nova célula de combustível é inerentemente mais segura do que muitas outras baterias, afirma ele. O sódio metálico é extremamente reativo e deve ser bem protegido. Assim como nas baterias de lítio, o sódio pode inflamar-se espontaneamente se exposto à umidade. “Sempre que se tem uma bateria com densidade energética muito alta, a segurança é sempre uma preocupação, porque se houver uma ruptura da membrana que separa os dois reagentes, pode haver uma reação descontrolada”, diz Chiang. Mas, nesta célula de combustível, um lado é apenas ar, “que é diluído e limitado. Portanto, não há dois reagentes concentrados um ao lado do outro. Se você está buscando uma densidade energética realmente muito alta, é melhor ter uma célula de combustível do que uma bateria por razões de segurança.”
Embora o dispositivo até o momento exista apenas como um pequeno protótipo unicelular, Chiang afirma que o sistema deve ser bastante simples de ser ampliado para tamanhos práticos para comercialização. Membros da equipe de pesquisa já formaram uma empresa, a Propel Aero, para desenvolver a tecnologia. A empresa está atualmente sediada na incubadora de startups do MIT, a The Engine.
Produzir sódio metálico suficiente para permitir a implementação global e em larga escala dessa tecnologia deve ser viável, visto que o material já foi produzido em larga escala antes. Quando a gasolina com chumbo era a norma, antes de sua eliminação gradual, o sódio metálico era usado para produzir o chumbo tetraetila usado como aditivo, e sua produção nos EUA era de 200.000 toneladas por ano. “Isso nos lembra que o sódio metálico já foi produzido em larga escala e manuseado e distribuído com segurança pelos EUA”, diz Chiang.
Além disso, o sódio se origina principalmente do cloreto de sódio, ou sal, por isso é abundante, amplamente distribuído pelo mundo e facilmente extraído, ao contrário do lítio e outros materiais usados nas baterias de veículos elétricos atuais. O sistema que eles imaginam usaria um cartucho recarregável, que seria preenchido com sódio metálico líquido e selado. Quando esgotado, seria devolvido a uma estação de recarga e carregado com sódio fresco. O sódio derrete a 98 graus Celsius, logo abaixo do ponto de ebulição da água, por isso é fácil aquecê-lo até o ponto de fusão para reabastecer os cartuchos.
Inicialmente, o plano é produzir uma célula de combustível do tamanho de um tijolo, capaz de fornecer cerca de 1.000 watts-hora de energia, o suficiente para alimentar um drone grande, a fim de comprovar o conceito em uma forma prática que possa ser usada na agricultura, por exemplo. A equipe espera ter uma demonstração desse tipo pronta no próximo ano.
Sugano, que conduziu grande parte do trabalho experimental como parte de sua tese de doutorado e agora trabalhará na startup, afirma que um insight fundamental foi a importância da umidade no processo. Ao testar o dispositivo com oxigênio puro e, em seguida, com ar, ela descobriu que a quantidade de umidade no ar era crucial para tornar a reação eletroquímica eficiente. O ar úmido fez com que o sódio produzisse seus produtos de descarga na forma líquida em vez de sólida, facilitando muito a remoção destes pelo fluxo de ar através do sistema. “O ponto-chave foi que podemos formar esse produto de descarga líquido e removê-lo facilmente, ao contrário da descarga sólida que se formaria em condições secas”, diz ela.
Ganti-Agrawal observa que a equipe se baseou em uma variedade de subáreas da engenharia. Por exemplo, houve muita pesquisa sobre sódio de alta temperatura, mas nenhuma com um sistema com umidade controlada. “Estamos nos baseando em pesquisas com células de combustível para projetar nosso eletrodo, em pesquisas mais antigas sobre baterias de alta temperatura, bem como em algumas pesquisas incipientes sobre baterias de sódio-ar, e meio que juntando tudo”, o que levou ao “grande aumento de desempenho” que a equipe alcançou, diz ele.
