Estudos com novos materiais, como níquel, manganês, ferrofosfato e silício, podem propiciar baterias com capacidade até 50% maior nos próximos anos

Novos materiais que pretendem substituir o lítio em baterias podem aumentar o tempo de funcionamento dos smartphones e tablets em até 50% nos próximos anos. A maioria das pesquisas, ainda restritas às universidades, procura aumentar a capacidade das baterias de íons de lítio usadas em carros elétricos . Mas os resultados desses estudos também poderão trazer benefícios significativos à indústria de celulares e outros dispositivos móveis.

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Novos materiais devem ajudar fabricantes a aumentar capacidade das baterias
iG Arte
Novos materiais devem ajudar fabricantes a aumentar capacidade das baterias

“Estudamos novos materiais para a placa positiva e negativa da bateria que têm potencial para armazenar maior quantidade de energia”, diz Harold Kung, professor da Universidade de Northwestern (EUA), ao iG .

Em uma de suas linhas de pesquisa principais, Kung tenta trocar o substrato de grafite da placa negativa (anodo) por compostos baseados numa associação de grafeno com nanopartículas de silício. “Já existem anodos baseados em silício que conseguem suportar 10 vezes mais carga que os atuais”, diz Kung.

Até o momento, só a LG divulgou o uso de novos materiais em baterias de novos modelos de smartphones. Em 2012, a empresa lançou o Optimus 4X HD , o primeiro aparelho da empresa a usar uma nova bateria com anodo que combina partículas de silício e grafite. A bateria fez sucesso entre os usuários e passou a integrar também o modelo mais avançado da fabricante presente no mercado brasileiro, o Optimus G .

“A bateria teve sua capacidade aumentada entre 5% e 6% em relação às baterias do mesmo tamanho”, diz Bárbara Toscano, gerente-geral de marketing para celulares da LG. A empresa participa de pesquisas para evolução das baterias, com a colaboração da LG Chemical -- outra empresa do grupo. Aumentar a capacidade da bateria sem ocupar mais espaço dentro do smartphone é um dos desafios dos fabricantes, que tentam lançar aparelhos mais finos e leves a cada ano.

Placa positiva

Além de substituir os materiais usados na placa negativa, há diversas pesquisas que buscam desenvolver novos compostos para a placa positiva (cátodo). “Milhões estão sendo investidos em pesquisas em rede para melhorar a placa positiva das baterias em todo o mundo, mas principalmente na Ásia”, diz Maria de Fátima Rosolem, pesquisadora de sistemas de energia do CPqD.

Entre os materiais que poderão substituir o cobaltato de lítio da placa positiva está o óxido de níquel, que é mais barato que o cobalto e possui densidade de energia 20% superior. Contudo, pesquisas apontam que o material é menos estável, o que resulta em menor eficiência nas reações de carga e descarga da bateria. “A questão da segurança também não foi solucionada, porque esse material atinge um pico de temperatura de 200ºC”, diz Fátima.

O óxido de manganês é outro material que tem potencial para uso em conjunto com o lítio como eletrodo positivo. Segundo Fátima, ele é mais barato porque é encontrado em maior quantidade no meio ambiente do que o cobalto e tem menor impacto no meio ambiente. Contudo, durante a descarga da bateria, o manganês se dissolve, o que resulta na perda de capacidade da bateria.

Por estar presente no ferro, material mais abundante na crosta terrestre, o ferrofosfato de lítio também tem sido empregado como placa positiva por alguns pesquisadores. Essa opção ainda não é viável comercialmente porque apresenta baixo desempenho em aplicações que exigem altas taxas de corrente de descarga, caso dos veículos elétricos. “Ainda é difícil achar um material que cubra todas as necessidades. Em geral, cada material beneficiará um tipo de aplicação”, diz Fátima.

As baterias que utilizam oxigênio no lugar do cobaltato de lítio do cátodo também estão entre as tendências para o futuro. Segundo Fátima, elas apresentam densidade energética alta, pois não precisam de um estoque de oxigênio, já que ele pode ser obtido diretamente do ambiente. Entretanto, como o lítio está presente na placa negativa, há maior risco de explosão. "O anodo e o cátodo tem de estar muito bem separados para não haver nenhum tipo de contato", diz Fátima.

Escala de produção

Além dos entraves técnicos, questões mercadológicas também emperram a chegada de baterias feitas com novos materiais aos smartphones e tablets. Como essas novas baterias dependem de um investimento alto em pesquisa e desenvolvimento, elas tendem a chegar com valor alto ao mercado e levam algum tempo para ganhar escala.

Apesar disso, os pesquisadores são otimistas: os fabricantes de baterias investem fortemente na evolução das baterias e, em breve, os usuários devem perceber a diferença na autonomia dos smartphones e tablets. “Eu não ficaria surpreso de alguns desses novos materiais estiverem em produtos comerciais em um ou dois anos”, diz Kung, da Universidade de Northwestern (EUA).

Segundo o pesquisador, com o uso da tecnologia de anodo desenvolvida pela universidade – que associa grafeno a nanopartículas de silício como substrato da placa negativa --, as baterias devem alcançar um desempenho 35% maior do que as atuais. “Com outras melhorias, como separadores mais finos, é possível alcançar uma melhoria de até 50% em alguns anos”, diz Kung.

O futuro das baterias

Embora as baterias ganhem maior autonomia nos próximos anos com novos materiais, pesquisadores também trabalham em novas tecnologias com potencial de substituir a bateria tradicional. Segundo Renato Franzin, pesquisador do Laboratório de Sistemas Integráveis (LSI) da Universidade de São Paulo, é provável que baterias de estado sólido sejam adotadas em eletrônicos do futuro para acumular energia.

"É a mesma tecnologia usada nos processadores presentes nos computadores. Elas são formadas de capacitores que ficam carregados eletricamente e apresentam maior vida útil", diz Franzin. Como a tecnologia não é baseada em uma reação química, a temperatura do aparelho pode chegar a patamares mais altos sem prejudicar o fornecimento de energia da bateria.

Outra possibilidade é o uso de células de combustível, que também geram energia a partir de reações eletroquímicas, mas de maneira diferente da bateria comum. Essa bateria trabalha com oxigênio e hidrogênio gasosos. Segundo Fátima, um dos principais desafios é armazenar esses gases e manter seu alto teor de pureza para que as reações deem certo. Outro problema é o preço. "A célula de combustível já é um produto comercial para aplicações de grande porte, mas ainda é uma tecnologia cara."

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