Célula da bateria estrutural baseada em fibra de carbono.
[Imagem: Henrik Sandsjö/Chalmers]

Baterias estruturais

A equipe do professor Leif Asp, da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia, vem há anos trabalhando no conceito de bateria estrutural, uma forma de armazenar energia de modo integrado com o próprio objeto a ser alimentado - pense em latarias de carros e fuselagens de aviões que também são baterias, por exemplo.

Os primeiros resultados vieram em 2018, quando a equipe descobriu como armazenar eletricidade usando fibras de carbono rígidas e fortes. A energia elétrica é armazenada quimicamente, o que significa que as mesmas fibras de carbono usadas em peças estruturais podem funcionar como eletrodos em baterias comuns de íons de lítio.

O marco seguinte foi alcançado em 2021, quando a bateria atingiu uma densidade de energia de 24 watts-hora por quilograma (Wh/kg), o que significa aproximadamente 20% da capacidade de uma bateria de íons de lítio equivalente.

Agora a bateria estrutural de fibras de carbono atingiu o patamar de 30 Wh/kg. Embora ainda seja menos do que as baterias de hoje, a comparação não pode ser direta porque as condições são bem diferentes: Quando a bateria faz parte da construção e também pode ser feita de um material leve, o peso geral do veículo pode cair bastante. Então, não é necessária tanta energia para fazer funcionar um carro elétrico, por exemplo.

"Nós fizemos os cálculos sobre carros elétricos, que mostram que eles poderiam rodar até 70% mais do que hoje se tivessem baterias estruturais competitivas," disse o professor Asp. "Investir em veículos leves e energeticamente eficientes é algo natural se quisermos economizar energia e pensar nas gerações futuras."

Como a bateria se torna parte da estrutura de suporte de carga, sua massa essencialmente "desaparece", por isso ela também é conhecida como "bateria sem massa".
[Imagem: Richa Chaudhary et al. - 10.1002/adma.202409725]

Estrutura da bateria estrutural

Baterias estruturais - alguns preferem "bateria sem massa" - são materiais que, além de armazenar energia, podem suportar cargas. Dessa forma, o material da bateria pode se tornar parte do material de construção real de um produto, o que significa que um peso muito menor pode ser alcançado em, por exemplo, carros elétricos, drones, ferramentas portáteis, laptops e telefones celulares.

"Assim como um esqueleto humano, a bateria tem várias funções ao mesmo tempo," disse a pesquisadora Richa Chaudhary, principal responsável por esta etapa do trabalho. "Conseguimos criar uma bateria feita de compósito de fibra de carbono que é tão rígida quanto o alumínio e densa em energia o suficiente para ser usada comercialmente."

O conceito de bateria desenvolvido pela equipe é baseado em um material compósito, contando com fibras de carbono como eletrodos positivos e negativos, com a diferença de que o eletrodo positivo é revestido com fosfato de ferro-lítio - na versão anterior, o núcleo do eletrodo positivo era feito de uma folha de alumínio.

A fibra de carbono usada no material do eletrodo é multifuncional: No ânodo, ela atua como um reforço, como um coletor elétrico e como material ativo. No cátodo, a fibra funciona como um reforço, como coletor de corrente e como um andaime para o lítio se acumular. Como a própria fibra de carbono conduz a corrente de elétrons, diminui a necessidade de coletores de corrente feitos de cobre ou alumínio, o que reduz ainda mais o peso geral da bateria. Também não são necessários os chamados metais de conflito, como cobalto ou manganês.

Muito trabalho à frente

Os íons de lítio são transportados entre os terminais da bateria por meio de um eletrólito semissólido, em vez de um líquido, o que aumenta a segurança ao reduzir o risco de incêndio, embora esta solução venha encontrando dificuldades em termos de aumento de potência.

De qualquer modo, este é um trabalho em andamento, e ainda há muito a ser feito antes que as células da bateria estrutural deixem de ser fabricadas em pequena escala em laboratório e passem a ser produzidas em larga escala para equipar dispositivos tecnológicos ou veículos. Obter uma potência mais alta é um dos desafios a serem vencidos.