Lei de Kirchhoff modificada: Como as regras do movimento dos íons foram alteradas nos cruzamentos.
[Imagem: Filipe Henrique et al. - 10.1073/pnas.2401656121]

Íons em materiais porosos

Imagine que seu notebook ou celular tenham as baterias zeradas, e então você possa recarregá-las totalmente em um minuto; ou as baterias do seu carro elétrico em 10 minutos...

Isso ainda não é realmente possível, mas experimentos feitos pelo brasileiro Filipe Henrique, atualmente na Universidade do Colorado em Boulder, nos EUA, poderão tornar isso realidade.

Em vez de se concentrar nos elétrons, as partículas responsáveis pela condução da eletricidade, Filipe voltou-se para os íons, que são átomos eletricamente carregados, e descobriu como exatamente eles se movem dentro de uma rede complexa de poros minúsculos.

Diversas técnicas de engenharia têm sido utilizadas para estudar o escoamento em materiais porosos, de reservatórios de petróleo a filtros de água, mas esses materiais não têm sido largamente utilizadas em sistemas de armazenamento de energia. Mas isso agora poderá mudar.

O trabalho da equipe permite calcular o movimento dos íons sob condições realísticas.
[Imagem: Filipe Henrique et al. - 10.1039/D1SM01239H]

Modificando a lei de Kirchhoff

A descoberta faz nada menos do que modificar a lei de Kirchhoff, usada para explicar o fluxo de corrente em circuitos elétricos desde 1845, sendo um elemento básico nas aulas de ciências dos alunos do ensino médio. Ao contrário dos elétrons, os íons movem-se devido a campos elétricos e à difusão, e os pesquisadores determinaram agora que os seus movimentos nas interseções dos poros são diferentes do que é descrito pela lei de Kirchhoff.

Até agora, os movimentos iônicos eram descritos na literatura científica apenas no caso de um poro reto. Mas, graças ao trabalho de Filipe e seus colegas, o movimento iônico em uma rede complexa de milhares de poros interconectados agora pode ser simulado e previsto em poucos minutos.

"Nós demonstramos que o transporte de eletrólitos é descrito pelas leis de Kirchhoff em termos do potencial eletroquímico de carga (a média ponderada de valência dos potenciais eletroquímicos do íon), em vez do potencial elétrico. Ao empregar a representação de circuito equivalente sugerida por essas leis de Kirchhoff modificadas, nossa metodologia captura com precisão as dependências espaciais e temporais da densidade de carga e do potencial elétrico, combinando resultados obtidos a partir de simulações numéricas diretas computacionalmente intensivas," escreveu a equipe.

A descoberta tem implicações para o desenvolvimento de supercapacitores e baterias.
[Imagem: Filipe Henrique et al. - 10.1073/pnas.2401656121]

Supercapacitores

A descoberta é significativa não só para o armazenamento de energia em veículos e aparelhos eletrônicos, mas também para as redes elétricas, onde a flutuação da demanda de energia exige um armazenamento eficiente tanto para evitar desperdícios durante períodos de baixa demanda, quanto para gerenciar a distribuição das fontes intermitentes de energia, como solar e eólica.

Os efeitos deverão ser sentidos mais imediatamente no desenvolvimento de supercapacitores, que são dispositivos de armazenamento de energia que dependem do acúmulo de íons em seus poros, apresentando tempos de carregamento rápidos e vida útil mais longa em comparação com as baterias.

"O principal apelo dos supercapacitores reside na sua velocidade. Então, como podemos acelerar o carregamento e a liberação de energia? Através do movimento mais eficiente dos íons," explicou o professor Ankur Gupta. "Este é o salto deste trabalho. Nós encontramos o elo perdido."