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Baterias do Futuro: como a ciência luta para vencer a maior limitação de nossos dispositivos

16 de abril de 2015 9

Um dos maiores problemas de todo dispositivo móvel é a limitação da duração de suas baterias. Quantas vezes você já não tirou seu celular do seu bolso e percebeu que ele havia morrido? Você pode até mesmo carregá-lo toda noite e ainda sim ele está arriscado a morrer rapidamente durante o dia. O pior é ter que monitorar suas atividades no dispositivo. O quanto você olha o Facebook, ou o quanto você pode ser permitir mais uma fase de Angry Birds.

A verdade é que a velocidade dos nossos dispositivos, suas capacidades e seus recursos estão a cada dia mais distantes das nossas baterias, que não conseguem acompanhar o ritmo das outras inovações. E isso só vai piorar à medida que as redes 4G se tornam mais populares. Sem uma mudança radical na tecnologia das baterias, os avanços em todos os outros setores terão de esperar um pouco para continuar progredindo.

Esta semana, o Google decidiu mergulhar ele mesmo no estudo de baterias, justamente porque a cada dia seus pequenos computadores são capazes de mais e mais feitos, precisando de mais energia para realizá-los. Se os celulares dobraram de velocidade a cada dois anos na última década, a vida útil da bateria aumentou apenas 50% durante esse mesmo período de tempo. O cientista Dr. Ramesh Bhardwaj, do laboratório Google X, o responsável pelos projetos mais inovadores da empresa, comentou a questão:

"O que nós estamos vendo é muito interessante para o consumidor final. A Google, a Apple, a Tesla, todos estão impacientes com a indústria de baterias. Ele decidiram levar o processo de criar uma bateria melhor, uma super bateria, para o interior de seus laboratórios. Eu acho que agora veremos o problema progredir de forma muito mais rápida".

Existem várias tecnologias emergentes que procuram resolver o problema, tais como painéis solares embutidos nas telas dos dispositivos ou carregadores que utilizam energia cinética nos movimentos do seu pulso para abastecer o celular. Apesar disso, todas estas ideias ainda estão muito longe de oferecer uma solução prática.

O TudoCelular decidiu fazer um pequeno levantamento e explorar quais são os principais avanços que prometem alavancar esse problema no mundo das tecnologias portáteis.

A bateria de lítio comum.

Combatendo a falta de memória

A maioria das baterias segue o mesmo princípio simples: elas convertem energia química em energia elétrica. Para fazer isso, eles contêm um eletrodo positivo e um eletrodo negativo - conhecido como um cátodo e um ânodo - separados por uma substância chamada de eletrólito. Quando esses eletrodos são conectados a um circuito, eles dão início a uma série de reações químicas. Em uma das extremidades, as partículas carregadas a partir do eletrólito - conhecidas como íons - se direcionam até o ânodo, que reage e libera elétrons. Na outra extremidade, as reações no cátodo criar um material que - como uma esponja - é capaz de aspirar esses elétrons livres.

O resultado é um sistema cheio de elétrons no anodo que desejam ir para o cátodo, mas é aí que está o segundo emprego do eletrólito - ele impede os elétrons façam o caminho direto, forçando-os através de um circuito em anexo - como, por exemplo, a fiação do telefone. É este fluxo de elétrons através do circuito elétrico que cria a corrente elétrica. A diferença é que nas baterias recarregáveis, estas reações são reversíveis, com os íons e elétrons fluem de volta na direção oposta durante o carregamento.

Este pequeno processo é o que acontece em todas as baterias de lítio recarregáveis usadas em quase todos os smartphones. Atualmente, eles contêm um ânodo feito de carbono (geralmente de grafite), um óxido de cátodo de metal e um eletrólito que contém o sal de lítio. O lítio se tornou o metal de escolha para essas baterias, porque é relativamente fácil de dividir seus íons, desencadeando as reações importantes e aumentando o desempenho total da bateria. Essa tecnologia existe desde a década de 1970, mas não foi até a introdução das primeiras unidades comerciais pela Sony em 1991, que ela realmente decolou, no mundo, substituindo os seus antecessores de níquel-cádmio.

Apesar dos quase 30 anos que essa tecnologia foi padronizada, ela também sofre de vários problemas como o chamado "efeito memória", onde as baterias seguram carga cada vez menos carga depois que são drenadas e recarregadas completamente. Nos últimos anos, pesquisadores e fabricantes conseguiram espremer continuamente mais e mais energia para fora destas baterias, dobrando o seu desempenho.

Os primeiros aprimoramentos vieram com o desenvolvimento de novos materiais, e desde então o que todo o mercado de tecnologia parece estar tentando fazer é inventar novas maneiras de tornar as baterias de lítio mais eficientes. O problema, é que mais do que nunca podemos ver que atingimos uma barreira, e que será necessário desenvolver uma nova tecnologia para os dispositivos do futuro.

Modelo de bateria de Silício.

Baterias de Silício

O silício é um concorrente atraente porque é barato, abundante e bem compreendido. Mas, mais importante, ele pode armazenar dez vezes mais íons do que o grafite, o que significa que ele poderia, teoricamente, permite um aumento de 10 vezes no desempenho. No entanto, os pesquisadores devem superar um problema: enquanto ânodos de grafite conseguem manter a sua forma enquanto absorvem íons de lítio, o composto de silício, se separa rapidamente, o que reduz muito o desempenho a longo prazo desta bateria.

Muitas pessoas estão tentado contornar este problema, como o Dr. Gao do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, que pretende desenvolver condutores de borracha que ajudem as partículas de silício a aderir melhor o ânodo. Os resultados iniciais sugerem que seu novo ânodo poderia produzir baterias de lítio com capacidades de cerca de 30% maiores do que as praticadas hoje no mercado.

Outra que tenta progressos nesse cenário é a SolidEnergy, a empresa desenvolveu um ânodo de metal ultra-fino com duas vezes a densidade de energia das baterias de grafite e ânodos de silício usadas até agora. Esta inovação permitirá a produção de baterias menores com a mesma capacidade que as tradicionais. Isso poderia potencialmente dobrar a vida útil da bateria do seu smartphone.

Outra solução importante apareceu entre os pesquisadores da Northwestern University. Eles desenvolveram uma tecnologia capaz de aumentar dez vezes a quantidade de carga que pode ser armazenada. Harold Kung e sua equipe descobriram que, se substituíssem as folhas de silício por pequenos aglomerados da mesma substância, poderiam aumentar a quantidade de íons de lítio que uma bateria consegue suportar.

Os pesquisadores foram ainda além. Graças a um processo de oxidação química que abre pequenos orifícios nas folhas de grafeno, com larguras variáveis entre 20 e 40 nanômetros, os íons de lítio encontram lugar para ficarem armazenados mais rapidamente. Em termos práticos, isso significa que você poderá carregar seu notebook ou smartphone em apenas 15 minutos.

Mas eles terão que agir rapidamente. Empresas norte-americanas como Amprius Nanosys, já estão desenvolvendo baterias de íon de lítio com ânodos contendo nanofios de silício que contornam o problema da memória. A gigante de eletrônicos, Panasonic, deve lançar um laptop de baterias de de lítio com ânodos de liga de silício, que alega aumentar a capacidade total da bateria em pelo menos 30 %.

O problema dessas soluções é apenas um, elas ainda insistem que nós podemos continuar tentando depender de baterias de lítio. O que muitos pesquisadores parecem entender hoje em dia é que o caminho ideal é outro.

Baterias com melhor ciclo de renovação pecam por investir no velho modelo de íons de lítio.

Outras alternativas

Um exemplo de tecnologias completamente novas é a baterias de zinco e ar, inspirados pelas próteses auditivas na década de 1960 que obtinham sua energia através de uma reação do zinco com o oxigênio do ar. O Professor Peter Bruce, da Universidade de Saint Andrews, na Escócia, tem trabalhado na ideia desde 2007, com ânodos feitos de carbono leve poroso. O oxigênio do ar entra no carbono poroso, reage com os íons de lítio no eletrólito e com os elétrons no circuito externo para formar óxido de lítio sólido. A recarga faz com que o composto de lítio para se decompor, liberando os íons de lítio e liberando o oxigênio.

O resultado é uma bateria que pode durar de três a cinco vezes mais, apesar de que os estudos sobre sua viabilidade ainda estão longe de serem concluídos.

Baterias podem ser feitas de poliestireno.

Bateria de plástico

Uma boa fonte de energia que também ajuda no processo de reciclagem é usar os pedacinhos de Poliestireno que vem dentro das caixas (pequenas almofadinhas que parecem de isopor) para fazer o catalisador da bateria. Um grupo de pesquisadores na Universidade de Purdue descobriu como converter estas pecinhas em eletrodos de carbono de alto desempenho que podem ser utilizados em baterias.

Os derivados do poliestireno demonstraram uma performance superior quando comparados com os eletrodos tradicionais de grafite, além de ser um uso absolutamente saudável para o planeta, já que as pecinhas levam mais de 50 anos para serem absorvidas pela natureza.

Um vidro transparente pode ser a chave para recarregar seu celular com energia solar.

Energia Solar

Outra idéia muita boa que pensa o problema de forma diferente, é a adição de células solares nos smartphones. De acordo com pesquisadores da Universidade Estadual de Michigan, nos EUA, é possível desenvolver um painel solar que alimente o seu celular ao longo do dia. Basicamente, o painel assumirá a forma de um concentrador luminescente solar totalmente transparente.

Para os que desconhecem o funcionamento, painéis solares coletam energia do sol usando células escuras de silício e convertem em eletricidade com o uso do efeito fotovoltaico. Esta nova tecnologia vai oferecer o mesmo princípio só que em um material transparente que é capaz de captar e redirecionar as ondas de luz para as células fotovoltaicas presentes nas bordas do celular. Ainda que isto não aumente a bateria total do aparelho, isso fará com que ele esteja sempre carregado.

Patente da Nokia para energia cinética

Mexendo os braços

Na mesma tendência, a Nokia chegou a patentear em 2013 a idéia de um celular que poderia ser recarregado sozinho utilizando energia cinética. Isso significa que a bateria do aparelho seria carregada apenas com a força do seu próprio movimento, enquanto você anda, corre, etc.

Ainda que a energia cinética não seja 100% aproveitada pelo celular, já que ela sempre se dissipa. Apesar disso, esta nova patente ainda por ser considerada uma ótima tecnologia para ajudar a prolongar a autonomia do celular. Em último caso, se seu aparelho ficar sem bateria, basta chacoalhá-lo bastante para que ele produza mais energia elétrica através do movimento.

A procura continua

Com o aparente fracasso das baterias de lítio defendido por algumas empresas e pesquisadores, apesar da insistência de algumas empresas, muitos estão indo além para encontrar uma boa solução. O Professor Ceder do MIT está adotando uma abordagem mais radical, ele tem usado computadores de alto desempenho para criar um banco de dados público de cerca de 20 mil compostos químicos. Uma série de algoritmos tenta prever as propriedades destes materiais, permitindo que os investigadores consigam inferir rapidamente como dois compostos reagem uns aos outros em uma bateria.

"O tipo de propriedades que estamos procurando é aquele já presente nos modelos de lítio, compostos com tensões compatíveis, que permitam a mobilidade de íons e elétrons em materiais, tenham estabilidade química, sejam seguros e barato de se produzir", diz ele. O "Projeto Materiais", como é conhecido, já foi utilizado para identificar três novos materiais com potencial para serem usados em baterias. Por enquanto, o mais promissor parece ser as baterias de íons de magnésio.

Elas usam um ânodo de magnésio metálico e podem ter duas a três vezes a densidade de energia das melhores baterias de lítio-íon. Além disso, os testes demonstraram que elas detêm a maior parte de sua carga por mais de 3.000 ciclos, muito mais do que as baterias dos smartphones de hoje. O magnésio também é barato e abundante. No entanto, a tecnologia ainda não está provada. Para ser realmente útil, os pesquisadores precisam encontrar um cátodo adequado, e que tem sido o foco dos estudos do MIT.

O Prof Ceder e seus colegas já analisaram mais de 12.000 materiais. Aqueles que mostram potencial são sintetizados e testados. Pelo menos quatro materiais se mostraram com qualidade o suficiente para se tornar um cátodo. Sua pesquisa é tão promissora que o governo dos EUA começou a financiá-la diretamente.

Um carregador móvel movido a célula de combustível.

Combustíveis orgânicos

Por fim, a última grande esperança para uma revolução no mundo das baterias pode estar nos combustíveis orgânicos. A célula de combustível converte energia química em energia elétrica através de uma reação química, ou seja, algo bem similar ao que é feito nas baterias de lítio atuais. No caso, elas funcionam como motores minúsculos, convertendo a energia química de um combustível - um álcool, por exemplo - em eletricidade através de uma reação com o oxigênio. Da mesma maneira que um motor, eles continuam a funcionar enquanto houver combustível.

Esta tecnologia remonta ao século XIX e foi usada com sucesso no último século. O que chama a atenção nela, é a sua capacidade manter uma alta densidade energética. Basicamente, os combustíveis como o hidrogênio contém cerca de 150 vezes a energia de um equivalente de lítio. O problema é que, para se tornar viável elas precisam para ser pequenas e ter um reservatório facilmente recarregável para o combustível.

Para construir este motores que caibam em celulares, os pesquisadores estão se concentrando nos chamados MEMS, que são dispositivos e estruturas mecânicas miniaturizadas construídos utilizando as técnicas de padronização e gravura. Por enquanto essa tecnologia é muito cara, necessitando do uso de metais preciosos tais como a platina e o paládio, que são usados para acelerar as reações químicas, isso tudo sem mencionar os problemas que poderemos ter com o uso de componentes tóxicos e a armazenagem de combustível.

Apesar das dificuldades, estas células seguem como alternativas viáveis. Em dezembro de 2011, a Apple apresentou dois pedidos de patente para células de combustível para dispositivos eletrônicos portáteis. A Nokia e a Toshiba seguem pelo mesmo caminho, tentando utilizar células de borohidreto de sódio, que quando misturado com água gera hidrogênio puro, que poderia ser usado para reduzir o tamanho da bateria, bem como seu peso e custo.

A verdade é que ainda estamos longe de uma revolução completa na forma como alimentamos nossos dispositivos eletrônicos. Investir neste tipo de tecnologia é certamente uma das chaves mais importantes para o futuro do mundo mobile.

Autoria de Felipe Velloso


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Comentários

Baterias do Futuro: como a ciência luta para vencer a maior limitação de nossos dispositivos
  • Esses processadores já cansaram... Cansaram as baterias! Como pode lançarem todo ano um processador mais econômico e tal, porém as velocidades estão beirando os 3Ghz... e os apps, exceto jogos, continuam os mesmo que anos atrás quando 600Mhz era sucesso no iPhone 3GS e Ominia da Samsung.
    Falta otimização do sistema, cada vez mais os sistemas se aproximam de PCs e esquecem que são dispositivos portáteis e que a energia e o tempo de uso é limitado. Não adianta nego dizer que sua tela é grande, pode ser 6" polegadas, você cansará em um video de 30min. Não importa o quanto seu smartphone seja potente e mostre nuances e sombras nos games, você não conseguirá o conforto e efeito de um console mais simples que seja, em algumas dezenas de minutos você se cansará. Não adianta você ter mil suítes de apps que sua produção e ergonomia nunca se equiparará a um PC ou Note.
    Então pra que exatamente essa potência toda? Pra que esses apps não otimizado jogando fora sua bateria? Pra que essas redes e módulos de modens de rede confeccionado na placa do celular com litografia de 10 anos atrás????????
    Qual o sentido ????????? Vender o mais potente e mais parrudo? Você vai usar seu smartphone como central de entretenimento da sua sala? Da sua vida? Ele realmente precisa tanto poder gráfico? Os apps precisam está todos rodando em segundo plano para uma notificação ou atualização de conteúdo? Não poderia ser um serviço único de chaves em servidor para empurrar todas essas notificações assim como já foi um dia?
    O problema não são as baterias... Hoje você tem processadores que consomem MUITO menos que antigamente, porem essas velocidades de CLOCK do SOC estão sem limites, tudo NÚMEROS para vender....
    Aff

      • Conversa pra boi dormir...baterias melhores somente aparecerão quando o aumento da velocidade e capacidade de processamento dos celulares não for mais motivo pra comprar outro celular. A tecnologia existe mas seria uma imensa perda de dinheiro e proposta de marketing. Quanto vc pagaria por um celular cuja bateria durasse um mês? 3.000,00? 5.000,00? 10.000,00. Quantos fariam isso?

          • Tony Stark poderia criar um reator ark pra substituirmos as baterias

            • Sejamos francos, para obter uma bateria fodona e que dure uma infinidade só se colocarem um reator nuclear ou de fusão a frio no celular.

              • Resumindo anos e mais anos de promessas e "pesquisas "e nada concreto ainda

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