A revolução das baterias com o Grafeno

O grafeno é um novo material formado por uma folha (sheet) de átomos de carbono ligados entre si com uma estrutura semelhante a um favo de mel. É um excelente condutor de energia elétrica e térmica, extremamente leve, quimicamente inerte e flexível. Além disso, é não é tóxico e sustentável – eco-friendly.

Sua aplicação na melhoria de desempenho de baterias é enorme, tanto nas atuais como nas novas gerações. O grafeno pode tornar as baterias mais leves, mais duráveis, aumentar a densidade de energia e reduzir, significativamente, o tempo de carga. Ele irá prolongar a vida das baterias que é negativamente ligada à quantidade de carbono que reveste o material. Pode aumentar a condutividade sem requerer grandes quantidades de carbono que são utilizados nas baterias convencionais.

Baterias são fontes de energia que geram eletricidade a partir de reações químicas, usando uma ou mais células eletroquímicas. Uma bateria é composta por um terminal positivo (ânodo), um terminal negativo (cátodo) e eletrólitos que permitem que os íons se movimentem entre eles. Uma membrana polimérica permeável cria uma barreira entre o ânodo e o cátodo para evitar um curto-circuito, permitindo o transporte das cargas iónicas para fechar o circuito para a passagem da corrente. Coletores são usados para conduzir a carga para fora da bateria. Quando o circuito entre os dois terminais é fechado, a bateria produz eletricidade através de uma série de reações químicas.

As baterias são classificadas em dois tipos: primária e secundária. As primárias são descartáveis depois do uso, como as baterias de zinco-carbono e as alcalinas. As secundárias são recarregáveis, podendo ser descarregas e carregadas tantas vezes quanto a composição dos eletrodos são capazes de recuperar sua funcionalidade. As baterias de chumbo-ácido de carros e baterias de lítio de celulares são exemplos desta categoria.

Os diferentes tipos de baterias têm vantagens e desvantagens. As baterias de níquel-cádmio (NiCd) têm baixa densidade de energia e contém materiais tóxicos prejudiciais ao meio ambiente, porém têm longa vida. Baterias de níquel-hidreto metálico têm maior densidade de energia que as de NiCd, porém têm curto ciclo de vida. Baterias de chumbo-ácido são usadas para aplicações de requerem grande densidade de energia, onde o peso não importante e sim a questão econômica. Baterias de íons de lítio (Li-ion) são utilizadas onde é necessária alta densidade de energia e peso baixo. Baterias de polímero Li-ion (Li-Po) são mais leves que as de Li-ions, mais seguras e maior durabilidade. As baterias de Li-ion são usadas em notebooks em geral e as de Li-Po são utilizadas em smartphones, como o iPhone da Apple.

As baterias de Li-ion podem ser melhoradas com a introdução de grafeno nos ânodos e aproveitar sua grande condutividade para melhorar seu desempenho.

Foi descoberto que materiais híbridos podem ser úteis para melhorar o desempenho das baterias. Um híbrido de óxido de vanádio (VO2) e grafeno, por exemplo, pode ser usado em cátodos de Li-ion e conseguir carga rápida e grande durabilidade, com alta densidade de energia. A baixa condutividade dessa bateria é resolvida usando o grafeno como uma espécie de “espinha dorsal”, criando um material híbrido com elevada capacidade e excelente condutividade.

O uso combinado de baterias com grafeno e supercapacitores podem tem aplicações excepcionais, como na melhoria da eficiência de carros elétricos.

Como o grafeno é flexível é possível “imprimir” baterias de grafeno em impressoras 3D, podendo criar baterias de diferentes formatos e tamanhos para vários tipos de produtos.

É empolgante as possibilidades do grafeno. Por exemplo, cientistas da Universidade de Stanford estão desenvolvendo uma bateria baseada em grafeno e alumínio, substituindo o lítio. Tem uma série de vantagens sobre o lítio, são mais flexíveis, podem ser carregadas em minutos, muito duráveis e mais baratas.

Pesquisadores afirmam que conseguiram uma bateria 10 vezes menor do que as baterias de grafeno existentes, mas com densidade de energia e desempenho semelhantes as atuais.

As baterias de alta densidade de energia são fundamentais para a estabilidade do nosso sistema integrado de energia elétrica. Com a ampliação da capacidade instalada de geração de energia intermitente (eólica e fotovoltaica) o papel das baterias será de suprir energia constante quando as fontes geradoras oscilarem devido a variação do vento, irradiação solar ou outro tipo de evento.

Para a nossa sorte, a Universidade Mackenzie inaugura o MackGraphe, o primeiro laboratório de pesquisa de grafeno da América Latina com um investimento de R$100 milhões, incluindo uma sala limpa classe 1.000 de 200 metros quadrados e equipamentos para pesquisas avançadas.

Assista um vídeo sobre grafeno com o Dr. Jonathan Hare.

Em outubro de 2010 o prêmio Nobel de física foi concedido a Andre Geim Constantin Novoselov da Universidade de Manchester pelo seus trabalhos sobre grafeno. 

Assista a palestra do Dr Andre Geim sobre grafeno. https://youtu.be/Pnq3gxvK4kY

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