O armazenamento de energia está geralmente associado a baterias e acumuladores que alimentam dispositivos eletrónicos. No entanto, atualmente, os chamados supercondensadores estão a ser cada vez mais instalados em computadores portáteis, câmaras, telemóveis e veículos.
Ao contrário das baterias, estes dispositivos podem armazenar grandes quantidades de energia rapidamente e libertá-las com a mesma rapidez. Se, por exemplo, um comboio travar ao entrar numa estação, os supercondensadores armazenam a energia e voltam a libertá-la quando o comboio necessita de um impulso de energia imediatamente após a partida.
No entanto, um dos problemas dos supercondensadores até à data tem sido a sua baixa densidade de energia. Enquanto as baterias de lítio atingem uma densidade de energia de até 265 quilowatts-hora (kWh), os supercondensadores oferecem, até ao momento, apenas cerca de um décimo disso.
O material sustentável proporciona um elevado desempenho
A equipa que trabalha com o químico Roland Fischer, da TUM, desenvolveu um novo material híbrido de grafeno, potente e sustentável, para supercondensadores. Funciona como elétrodo positivo no dispositivo de armazenamento de energia. Os investigadores estão a combiná-lo com um elétrodo negativo já consagrado, à base de titânio e carbono.
O novo dispositivo de armazenamento de energia não só atinge uma densidade energética até 73 Wh/kg, aproximadamente equivalente à densidade energética de uma bateria de níquel-hidreto metálico, como também apresenta um desempenho significativamente melhor do que a maioria dos outros supercondensadores, com uma densidade energética de 16 kW/kg. O segredo do novo supercondensador reside na sua combinação de diferentes materiais, razão pela qual os químicos se referem a ele como um supercondensador "assimétrico".
Materiais híbridos: a natureza é o modelo a seguir
Os investigadores estão a apostar numa nova estratégia para ultrapassar as limitações de desempenho dos materiais convencionais: a utilização de materiais híbridos. "A natureza está repleta de materiais híbridos altamente complexos e evolutivamente otimizados — os ossos e os dentes são exemplos. As suas propriedades mecânicas, como a dureza e a elasticidade, foram otimizadas pela natureza através da combinação de diversos materiais", afirma Roland Fischer.
A ideia abstrata de combinar materiais básicos foi transferida para os supercondensadores pela equipa de investigação. Como base, utilizaram o novo elétrodo positivo da unidade de armazenamento com grafeno quimicamente modificado e combinaram-no com uma estrutura metalorgânica nanoestruturada, conhecida como MOF.
Potente e estável
Cruciais para o desempenho dos híbridos de grafeno são, por um lado, uma grande área superficial específica e tamanhos de poros controláveis e, por outro, uma elevada condutividade elétrica. "A capacidade de alto desempenho do material baseia-se na combinação de MOFs microporosos com ácido grafénico condutor", explica o primeiro autor, Jayaramulu Kolleboyina, um antigo cientista visitante que trabalhou com Roland Fischer.
Uma grande área de superfície é importante para bons supercondensadores. Permite a recolha de um número relativamente grande de portadores de carga no interior do material – este é o princípio básico para o armazenamento de energia elétrica.
Através de um design de materiais habilidoso, os investigadores alcançaram o feito de combinar o grafeno com MOFs (estruturas metalorgânicas). Os MOF híbridos resultantes têm uma área de superfície interna muito grande, até 900 metros quadrados por grama, e são altamente eficazes como elétrodos positivos num supercondensador.
Estabilidade a longo prazo
No entanto, esta não é a única vantagem do novo material. Para se obter um híbrido quimicamente estável, são necessárias ligações químicas fortes entre os componentes. As ligações são aparentemente as mesmas que as dos aminoácidos nas proteínas, de acordo com Fischer: "Na verdade, ligamos o ácido grafénico a um MOF de um aminoácido, o que cria um tipo de ligação peptídica.".
A ligação estável entre componentes nanoestruturados apresenta enormes vantagens em termos de estabilidade a longo prazo: quanto mais estáveis as ligações, mais ciclos de carga e descarga são possíveis sem uma deterioração significativa do desempenho.
Para comparação: uma bateria de lítio convencional tem uma vida útil de cerca de 5.000 ciclos. A nova célula desenvolvida pelos investigadores da TUM retém quase 90% da sua capacidade mesmo após 10.000 ciclos.
Rede internacional de especialistas
Fischer realça a importância da cooperação internacional irrestrita que os próprios investigadores controlaram no desenvolvimento do novo supercondensador. Consequentemente, Jayaramulu Kolleboyina construiu o equipamento. Foi um cientista visitante da Índia, acolhido pela Fundação Alexander von Humboldt, e é atualmente o chefe do departamento de química do recém-criado Instituto Indiano de Tecnologia em Jammu.
"A nossa equipa contou também com a colaboração de especialistas em eletroquímica e investigação de baterias em Barcelona, bem como com especialistas em derivados de grafeno da República Checa", relata Fischer. "Além disso, incorporamos parceiros dos EUA e da Austrália. Esta excelente cooperação internacional é muito promissora para o futuro."
Publicação:
Jayaramulu Kolleboyina, Michael Horn, Andreas Schneemann, Aristides Bakandritsos, Vaclav Ranc, Martin Petr, Vitalie Stavila, Chandrabhas Narayana, Błażej Scheibe, Štěpán Kment, Michal Otyepka, Nunzio Motta, Deepak Dubal, Radek Zboril e Roland A.
Híbridos Fischer Covalent Graph-MOF para supercondensadores assimétricos Advanced High Performance Materials
, 12.4.2020 - DOI: 10.1002/adma.202004560
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202004560
Mais informações:
A investigação foi financiada pela Fundação Alemã de Investigação (DFG) no âmbito do grupo de excelência em conversão eletrónica, pela Fundação Alexander von Humboldt, pelo Instituto Indiano de Tecnologia de Jammu, pela Universidade de Tecnologia de Queensland e pelo Conselho Australiano de Investigação (ARC). Foi obtido financiamento adicional através do Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional, concedido pelo Ministério da Educação, Juventude e Desporto da República Checa.
