Condensador azul da EPFL usa água confinada em argila para armazenar carga

Ninguém coloca água, de propósito, dentro de um dispositivo de armazenamento de carga. Qualquer bateria ou supercondensador é concebido para a manter fora - a água corrói os elétrodos, dilui os eletrólitos e, no geral, arruína o desempenho. A ideia de base é simples: água e eletricidade armazenada não combinam.

Uma equipa de investigadores numa universidade suíça concluiu, porém, que há uma exceção. Quando a água fica presa em canais com pouco mais de um nanómetro de largura - no interior de um mineral de argila comum - começa a transportar carga elétrica por si só.

Carga sem a química

O dispositivo em causa é uma espécie de supercondensador, parente das baterias que guarda carga de forma física em vez de a armazenar através de reações químicas. Os autores chamam-lhe condensador azul, desenvolvido no Instituto Federal Suíço de Tecnologia em Lausanne (EPFL).

O trabalho foi liderado pela professora Aleksandra Radenovic, cujo laboratório na EPFL estuda como a água e os iões se comportam quando são comprimidos em espaços com apenas alguns átomos de largura. O objetivo do grupo era perceber se esse comportamento fora do comum poderia alimentar um dispositivo real.

Supercondensadores e baterias convencionais dependem, em regra, de sais concentrados ou de solventes especiais para fazer circular carga - componentes que dificultam a reciclagem e aumentam os custos ambientais. A equipa de Radenovic procurou o caminho oposto: reduzir materiais ao mínimo possível.

Carga da água na argila

Quando a água é forçada a entrar num canal com cerca de um nanómetro de diâmetro, aproximadamente a largura de algumas moléculas, deixa de se comportar como a água num copo. Os protões atravessam esse meio com maior facilidade e a forma como a água “segura” a carga altera-se.

Há anos que físicos medem estas particularidades em montagens laboratoriais minúsculas e, num estudo recente, foi acompanhada a forma como a água confinada conduz carga ao longo de camadas tão finas. O problema é que essas abordagens permaneceram microscópicas e difíceis de transformar em algo prático.

A argila ofereceu uma solução. Argilas em camadas, como a montmorilonite - entre os minerais mais comuns na crosta terrestre - organizam-se em folhas empilhadas que, quando humedecidas, retêm água em fendas com largura da ordem do nanómetro.

Construir o condensador azul

Para o fabricar, a equipa empilhou folhas de argila juntamente com grafeno - uma lâmina de carbono com um átomo de espessura e elevada condutividade elétrica. Os materiais foram depositados por filtragem de misturas aquosas através de uma membrana fina, camada a camada.

O filme final é fino e flexível, com espessura não superior a duas folhas de papel. Dois elétrodos de grafeno-argila “abraçam” uma camada de argila pura, e através de todo o empilhamento percorrem canais cheios de água com cerca de um nanómetro.

O que distingue este conceito é que nada fica a agitar-se no interior. Não existe um reservatório de eletrólito líquido nem um depósito de fluido salino. Elétrodos, separador e a água que transporta a carga formam uma única estrutura contínua. Até agora, não tinha sido demonstrado um dispositivo de dimensão completa a funcionar apenas com água confinada.

Protões na água transportam a carga

As evidências apontam para os protões como principais portadores de carga. Trata-se dos núcleos positivos “nus” dos átomos de hidrogénio, presentes em quantidades residuais na água comum.

Quando se aplica uma tensão ao filme, esses protões deslocam-se pelos canais de água na direção dos elétrodos.

Não percorrem toda a distância como partículas isoladas. Em vez disso, é provável que um protão vá “saltando” de uma molécula de água para a seguinte ao longo da cadeia, transportando a carga muito mais depressa do que as próprias moléculas se moveriam.

Ao chegarem ao grafeno, a carga acumula-se na interface onde o carbono encontra a água. É aí que a energia fica armazenada.

A equipa confirmou o papel dos protões ao adicionar um composto químico que os captura - o que reduziu de forma acentuada a quantidade de carga que o dispositivo conseguia reter.

Argila seca perde carga

A prova mais clara de que é a água que faz o trabalho surgiu quando ela foi retirada. Ao secarem as membranas de argila, a capacidade de armazenamento de carga caiu drasticamente, passando a uma fração mínima do valor anterior.

Quando a água foi reintroduzida, o dispositivo voltou a funcionar. Essa reversibilidade indicou aos investigadores que é a própria água - e não a argila seca à sua volta - que está a assegurar o armazenamento. Um teste simples de “liga/desliga”.

O dispositivo também foi construído com várias argilas diferentes, cada uma com a sua própria carga de rede cristalina.

Os resultados foram, no essencial, semelhantes, sugerindo que o mineral exato importa menos do que a existência desses canais de água com largura nanométrica.

Como se comporta em desempenho

O desempenho manteve-se sob utilização exigente. O dispositivo suportou mais de 60,000 ciclos de carga e descarga sem desgaste visível, um intervalo que esgotaria muitas células convencionais.

Em condições normais, a água decompõe-se em hidrogénio e oxigénio por volta de 1.23 volts, o que limita a tensão a que um sistema baseado em água pode operar. Neste caso, a água confinada manteve-se estável até 1.6 volts antes de a degradação começar, abrindo maior margem para armazenar energia.

Recuperou cerca de 97% da carga recebida, um valor próximo do limite superior para este tipo de dispositivo.

O nível de energia armazenada ficou ao alcance do que já é oferecido por supercondensadores comerciais. De acordo com uma revisão sobre designs de baterias aquosas, esses modelos padrão dependem de eletrólitos concentrados - ingredientes de que este dispositivo consegue prescindir.

Rumo a um armazenamento mais limpo

O que este estudo demonstra de forma concreta é que a água retida em canais de argila com um nanómetro pode funcionar como o eletrólito completo de um dispositivo de armazenamento de energia, operacional e de dimensão completa.

Os componentes são baratos e abundantes - argila, grafeno e água. Nada de raro, nada que exija refinação dispendiosa. E, como discutido num artigo recente, nenhum destes materiais implica a pesada pegada mineira associada a células de lítio.

Por agora, trata-se de uma prova de conceito, não de um produto pronto a comprar. Ainda assim, oferece aos investigadores um dispositivo real e funcional - e não apenas uma curiosidade à nanoescala - para desenvolver armazenamento renovável com materiais ao alcance de qualquer pessoa.

Pela primeira vez, esta linha de investigação mostra que um dispositivo de tamanho completo pode reter carga de uma forma muito diferente.